5V单电源供电的低噪声宽带放大器

5V单电源供电的低噪声宽带放大器摘要：以单片机MSP430F449为控制核心，设计了一个5V单电源供电的低噪声宽带放大器。采用单位增益稳定低噪声运放 OPA820作为前级放大，高速运放THS3091作为末级放大，其中利用DC—DC变换器TPS61087将5V电压转化为18V从而为末级放大电路供电。此外，系统还采用12位高速A/D转换器ADS803实现了测量并数字显示放大器输出电压峰峰值的功能，测量误差小于 5%。本系统最高电压增益达到 43dB，上限及下限截止频率达到15MHz和20Hz,在50Q负载上，最大不失真输出电压峰峰值为 4.2V。系统的输出噪声小于200mV。关键词：宽带放大器；低噪声；高增益； 5V单电源供电宽带放大器，即上限工作频率与下限工作频率之比远大于 1的放大电路，在通信系统中起到非常重要的作用，广泛应用于A/D转换器、D/A转换器、有源滤波器、波形发生器、视频放大器等电路。本文介绍的低噪声宽带放大器，主要特点是采用 +5V单电源供电。在实际应用中，提供5V电池供电即可工作，使用上带来了很大的便利。对使用高电压及大电流运算放大器的特定应用而言， 采用单电源供电将使其切实获益。 此外，在该宽带放大器的设计上，还特别注意了噪声的影响，尤其在电源模块上减小输出噪声， 使整个系统工作稳定。为此，设计了一个+5V供电的低噪声宽带放大器，将有很好的应用前景。1系统总体设计方案及实现方框图本系统由前级放大、电压转换、功率放大和峰值检波 4部分组成，整体实现框图如图 1所示。输入端通过分压网络将信号源输出信号变为峰峰值 30mV小信号。考虑到多级放大会引入更大的噪声，系统只采用两级放大。前级放大采用OPA82O,并采用反相输入法以提高通频带，可将小信号放大12倍。末级放大用高速运放THS3091实现，可使频带在20Hz“10MHz的前提下，总增益达140倍。TPS61087电源模块将5V电压转化为18V给末级THS3091功率放大模块供电。峰峰值的测量由程序实现，并通过液晶显示。输入

信号

-T—TPSC1电摞模0PA82O賞圾放大|THS309t*片机P4TPSC1电摞模0PA82O賞圾放大|THS309t*片机P4It0B7J 箕才未做啟大UA/D果橹.A&S803—懐盘sonA<图1系统整体裾图2理论分析与计算1增益带宽积增益带宽积（GBP）为电压增益G与通频带BW的乘积，GBP=GxBW。对于电压反馈型运放，由放大电路频率特性分析可知，无反馈和电压反馈时电压放大倍数分别为：A〜几4_山—心心护心〉厂⑷必厂旷［十04「1£［/7(1少仁)久］其中F为反馈系数，Avm为通带内电压增益fh为无反馈时运放截止频率。比较两式可知，存在电压反馈时，运放通带增益、通频带分别为：A心i卷E叫M可见，引入电压负反馈后 GBP=Avm・fh，增益带宽积仍为一常数。选择电压反馈型运放时根据该级增益来确定增益带宽积，保证该级运放不限制级连系统的带宽。系统选用的OPA820增益带宽积为480MHz，在系统中该运放增益设为 12,则可计算得，BW=40MHz>>10MHz，足以满足设计要求。J I点彌1 对于电流反馈型运放，根据反馈理论可知，宀，且R0<<R1,R0<<R2，则通频带宽度fc=1/2n-Ceq•。因此电路通频带仅由反馈电阻和内部电路确定，与电路增益无关。因而电流反馈型运放没有增益带宽积的限制。 本系统使用电流反馈型运放THS3091用于后级高增益放大，当增益G=2时，带宽BW=210MHz。前级放大增益为12倍，故后级至少要放大为8.3倍，才可保证系统的最大增益超过 40dB。由上述分析可知，正常工作时，系统放大电路在 10MHz以内频带几乎无运放带宽限制造成的衰减。2.2放大器稳定性分析当放大器工作在高频区或低频区时，电路的电抗元件和有源器件的电抗效应将会产生附加相移。如果放大器为多极点反馈系统，在某一频率上产生的附加相移可能达到 180。,这时虽在中频区引入的是负反馈， 但在高频区或低频区将变为正反馈。 当正反馈信号增强到一定值时，就会产生自激。经分析知，多极点反馈放大器闭环增益山帥归一中⑴二*(叩f 。其中A(j3为无反馈时的增益函数，B(j3为反馈系数。若在某一频率3osc上，满足环路增益T(j3osc,闭环增益函数Af(j3osc趋于无穷大。说明输入信号为零时，仍有某一频率信号输出，出现自激。如果当0T(3)=土时，T(3)<1,放大电路就不会自激。若放大器施加阻性反馈， B为实数，|T(j3)|=1可表示为20lgA(3c)=20lg(1/B)。当在实际中，要保证反馈放大器稳定工作.须使相位裕量 丫>45。在设计放大器时，要留一定的相位裕量。若电路产生自激，在电路适当地方加入补偿网络，改变电路原有频率特性，破坏其自激条件。2.3单电源供电放大器工作状态分析大多数集成运算放大器电路采用正、负对称的双电源供电，本系统采用 5V单电源供电，在只有一组电源的情况下，集成运算放大器也能正常工作。图 2所示为两种采用单电源供电的供电电路。開2两种命电加供电电滋采用单电源对集成运算放大器供电的常用方法是，把集成运算放大器两输入端电位抬高(且通常抬高至电源电压的一半，即 VCC/2)，抬高后的这个电位就相当于双电源供电时的地”电位，因此在静态工作时，输出端的电位也将等于两输入端的静态电位，即 VCC/2。图2(a)为反相接法，其中滑动变阻器和 R1和R3为运放提供VCC/2的直流偏置电压，电容C1和C2为交流地，电阻R2和R3提供交流增益G=R2/R1。图2(b)为同相接法，其中C1和C2为隔直电容，VCC配合电阻R1、R2和电位器分压为电路提供直流电压偏置。 C为交流地，R1和R2提供交流增益G=R2/R1+1。4双值数值峰值检波的实现及理论分析待测信号频率范围为10Hz〜15MHz，由采样定律，采样频率要大于两倍的最高频率，那样采样频率要达到30MHz以上，但MSP430单片机无法做到这么高的采样频率。考虑到峰值检波不同于测频， 只需要采到周期信号中的峰值即可， 因此可以用欠采样的方法， 即使用较低的采样率去采样高频信号， 只要保证采到足够多不同幅度的点， 就可保证得到逼近峰值的电压。但是当待测信号频率为采样频率整数倍时，只能采到周期信号中的固定幅度，即单频率采样时有采样盲区。 所以采取用两个相隔很小的频率来采样， 当其中一个频率采到盲区时，另一个可以正常采样，这样可以消除盲区。本方案采用的两个采样频率分别为f1=32.786kHz和f2=32.768kHz，由分析知等效采样率f=(f1xf2)/(f1-f2)~60MHz足以满足题目要求。3主要功能电路设计1前级放大电路设计采用高速运算放大器OPA820ID作为第一级放大电路。OPA820ID是一款单位增益稳定、

低噪声、电压反馈型放大器。增益 G=±2时带宽240MHz。虽然它不是轨对轨(RR)输出，但比典型RR输出运算放大器有着更低的功耗及噪声。 采用反向放大的接法， 具体电路如理论分析部分图2(a)所示，其中Rl=100Q,R2=51(D,R3=51Q，电位器R量程1k03.2电源模块由于采用单电源+5V供电.而THS3091的供电电压需要+15V,因此采用TPS61087实现电压转换。TPS061087是一款高频率、高效率的升压 DC—DC转换器，其输出电压Vs与电阻R1、R2的关系满足Vs=1.238X(R1/R2+1)。由于后级THS3091的供电电压越高可使噪声越小、精度越高，因此取馈电阻 R1=240k0,R2=18k0，将末级放大的供电电压提升到18V，以满足放大及低噪声的需要。具体电路如图3所示。电源输入输出噪声是关键问题，若噪声过大会使整个系统的波形杂乱甚至失真。为此在

输入、输出端加入共模扼流圈及 n型网络以减小噪声。此外，如果电阻取值不当或电路焊接不好会使TPS61087无法稳压，即无法带动负载。因此在电路的焊接上很注意， 严格按照芯片资料上的PCB图焊接。3.3A/D采样模块ADS803是12位并口高速流水型模数转换器，采样率为 5Ms/s。输入电压范围为0〜+2V,0〜+5V，内置宽带采样保持器，电压基准源，具有很高的 SNR和SFDR。CM输出25V电压提供给VREF,SEL接地，使输入范围为0〜+5V。由于输出数据线上存在尖峰干扰脉冲，故在输出端串联一个 100Q的小电阻，以降低信号上下沿的跳变速度。同时，在时钟输入端与地间接入1个容量为100pF的小电容，以吸收尖峰干扰脉冲。电路连接应注意数字地与模拟地的连接。电路图如图 4所示。

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Bll+Ys采用THS3091ID做末级放大电路，THS3091是一款高输出，低失真，电流反馈型放大器。当负载为100Q，增益为2时，带宽为210MHz。为了达到增益要求，用3片THS3091ID并联放大，具体电路如图5所示。4系统软件设计系统软件设计部分基于MSP430F449单片机处理平台，主要完成数字峰值检测功能。 通过定时器A和定时器B产生两种采样频率交替采样，得到最大值和最小值，其差值为峰峰值。流程图如图6所示。

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定时;昭I桂1fc6fc6程序垃程田5测试方案与测试结果1） 最大增益测试用Agilent信号源给出峰峰值500mV的正弦扫频信号，经准确的分压电路后峰峰值为30mV。用示波器读取输出信号在整个扫频范围内的电压峰峰值为 4.23V，最大增益43dB。2） 噪声测试将输入端接地，用示波器读取输出端噪声电压，测得最大峰峰值为200mV。3） 通频带测试在信号经分压网络后峰峰值 30mV的情况下，改变输入信号频率，测得输出信号峰峰值在10Hz和15MHz处衰减为-3dB。在20Hz〜10MHz的频率范围内保持最大增益43dB，且增益起伏小于1dB。4） 峰值检波测试在通频带范围内改变输入信号频率，分别用示波器读输出信号峰峰值，与MSP430系统板上液晶显示的数据相比较，算得测量相对误差小于 5%。6结束语本系统在单电源供电的前提下，较好地完成了低噪声宽带放大的功能。其中最大增益43dB，