一種低噪聲高增益零中頻放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文中介紹了一種低噪聲的零中頻放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過選用合適的集成運(yùn)算放大器芯片，完成低噪聲、高增益并具備濾波效果的零中頻放大器的設(shè)計(jì)。闡述了運(yùn)放芯片的選擇依據(jù)，電路的工作原理并使用Cadence制板軟件完成了電路板的設(shè)計(jì)。實(shí)際測試結(jié)果表明，該電路工作穩(wěn)定，噪聲、增益、濾波特性等效果均很好。

近年來，隨著技術(shù)進(jìn)步和制作工藝的提高，零中頻技術(shù)廣泛應(yīng)用在通信領(lǐng)域，并在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也逐步擴(kuò)大。作為高增益的放大器，噪聲的抑制設(shè)計(jì)特別重要，否則噪聲經(jīng)過放大后，再加上電路的本底噪聲，信噪比將很差，同時(shí)也要避免運(yùn)算放大器的自激，破壞自激條件。本文中介紹的零中頻放大器是將150 kHz內(nèi)微弱的微伏級(jí)信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)為2 800倍，接近70 dB；加入了濾波電路，有效抑制地抑制了諧波；選用了合適的芯片和電路結(jié)果，使得整個(gè)系統(tǒng)噪聲很小。

1電路設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先得考慮增益的分配問題，這直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)最后的性能，也關(guān)系到芯片性能的選擇與芯片使用的數(shù)量。式（1）為級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)公式：



式中，F(xiàn)i為第i級(jí)電路的噪聲系數(shù)，Gi為第i級(jí)電路的額定功率增益?？梢钥闯觯骷?jí)內(nèi)部噪聲的影響并不相同，級(jí)數(shù)越靠前，對總的噪聲系數(shù)的影響越大。所以，為了使整個(gè)零中頻放大器的總噪聲系數(shù)小，第一級(jí)和第二級(jí)選擇的運(yùn)算放大器要滿足噪聲系數(shù)小、增益高。在本設(shè)計(jì)中，把第一、二級(jí)分別作為低噪聲放大器和低通濾波器。

為增強(qiáng)電路的抗干擾能力，使用差分線進(jìn)行傳輸，這樣做的好處主要有兩點(diǎn)：1）可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸；2）對外部電磁干擾（EMI）是高度免疫的。在第二級(jí)信號(hào)輸出端對其進(jìn)行處理變成差分信號(hào)，這里有兩種方法，一種是使信號(hào)通過一級(jí)同相放大與一級(jí)反相放大實(shí)現(xiàn)差分，另一種是直接使用單端轉(zhuǎn)差分的芯片。在本設(shè)計(jì)中，鑒于方便性與可靠性，選擇了后者。


圖1 系統(tǒng)框圖

最后，再用兩個(gè)運(yùn)算放大器對差分信號(hào)分別進(jìn)行放大，同時(shí)增強(qiáng)其輸出電流驅(qū)動(dòng)能力。圖1所示為整個(gè)零中頻放大器電路的系統(tǒng)框圖，并顯示了每一級(jí)的電壓放大倍數(shù)。

1.2芯片選擇與相應(yīng)電路設(shè)計(jì)

芯片的選擇主要由需要的性能指標(biāo)決定，但滿足要求的芯片一般都比較多，進(jìn)一步的選擇要考慮供電要求，這樣便于統(tǒng)一供電，同時(shí)在系統(tǒng)前級(jí)的運(yùn)算放大器壓擺率要小于后級(jí)鑒于，此外。價(jià)格因素也不容忽視。

鑒于前兩級(jí)的低噪高增益要求，選用了TI公司的OPA1612芯片，該芯片的電源供電范圍很廣，從±2.25 V到±18 V，壓擺率為27V/μs，開環(huán)增益可達(dá)130 dB.噪聲性能極好，為1.1n V/。在100 Hz～150 kHz其等效輸入噪聲為1.1×

≈425.886nV，20 dB放大基礎(chǔ)下，信噪比將非常好。圖2為設(shè)計(jì)的前兩級(jí)電路原理圖，采用了多路反饋（MFB）結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)主要用于高增益的濾波器中。這種結(jié)構(gòu)最大的好處是設(shè)計(jì)靈活，在制板的時(shí)候采用這種結(jié)構(gòu)方便調(diào)試。第一級(jí)和第二級(jí)的放大倍數(shù)分別為：

圖中R1的作用主要是為前級(jí)電路提供直流回路，C1是隔直電容。此外，電阻的選擇要合理，過大會(huì)增加電路的熱噪聲，過小會(huì)使功耗提高。

在本文設(shè)計(jì)的零中頻放大器中，單端轉(zhuǎn)差分的設(shè)計(jì)方案采用ADA4941-1芯片，它可工作在±5 V，無需外部元件就能獲得2倍增益，在實(shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)候，考慮到增益分配的問題，加入了電阻反饋網(wǎng)絡(luò)，獲得4倍增益。該芯片的失真度也很小，達(dá)到了-110 dBc（100 kHz）。圖3所示為ADA4941-1的工作原理圖。輸出電壓為：

式中，VIN為前級(jí)的輸出電壓，VG為外部輸入電壓，VREF為連接到REF引腳上的電壓，由式（2）和式（3）可知，輸出共模電壓為：

即輸出共模電壓即為連接到REF引腳上的電壓。在本設(shè)計(jì)中VG=0，VREF=0，R8=1.1 kΩ，R10=3.3 kΩ，可知，輸出共模電壓為0，放大倍數(shù)為4倍，值得注意的是DIS為禁用管腳，在±5 V供電的時(shí)候DIS管腳上的電壓要不大于-4 V才能使芯片工作。

圖3 單端轉(zhuǎn)差分電路


圖4 反相信號(hào)放大電路原理圖