具有低噪聲、高增益特點的放大器設計方法概述

2020-11-30 電子發燒友

具有低噪聲、高增益特點的放大器設計方法概述

21IC中國電子網 發表於 2020-01-20 17:06:00

引言

在自動控制及自動測量系統中，需要把一些非電量（如溫度、轉速、壓力）等參數通過傳感器轉變成電信號，這些微弱的電信號經放大後就可以推動測量、記錄機構或控制執行機構，從而實現自動控制或自動測量。

本文設計的放大器具有低噪聲、高增益的特點。整體設計要求放大器的最大電壓增益為80 dB，輸入電壓有效值Vi≤10 mV。在Av=60 dB時，輸出端噪聲電壓的峰-峰值VONPP≤0.3 V，3 dB通頻帶0～5／10 MHz可選。在通頻帶內增益起伏≤1 dB，負載電阻（50±2）Ω，最大輸出電壓正弦波有效值Vo≥10 V，輸出信號波形無明顯失真。

1 系統總體設計及理論分析

1．1 系統總體設計

本系統可分為4個模塊，如圖1所示。第1部分為輸入緩衝和固定增益放大模塊，運放搭建電壓跟隨器作為輸入緩衝，同時提高輸入阻抗，固定增益放大部分將輸入的微弱信號放大到適合後級處理的電壓範圍；第2部分為分檔濾波模塊，設計有5 MHz、10 MHz兩個低通濾波器，通過低噪聲繼電器切換，滿足帶寬可預設的要求；第3部分為可控增益放大模塊，實現80 dB的動態增益變化；第4部分為功率放大模塊，驅動50 Ω負載。

本系統的難點在動態增益和功率輸出兩個方面，下面對其進行理論分析。

1．2 動態增益的理論分析

設計指標要求增益動態範圍為80 dB，將80 dB分配在固定增益放大、可控增益放大和功率放大3個模塊。先確定可控增益放大模塊的增益動態範圍，就可以方便地分配另兩個模塊的增益。

由於VCA810的線性增益調節範圍為-40～40 dB，如圖2所示。但經實際電路測試當增益高於30 dB時，電路容易出現自激振蕩，此處採用兩級VCA810級聯的方式實現-40～40 dB的動態範圍。固定增益放大器增益設定為10 dB。以THS3001為核心的後級功放電路增益設定為30 dB。因此，該系統增益調節範圍為0～80 dB。

1．3 運放擴壓輸出的理論分析

當系統負載電阻為（50±2）Ω時，最大輸出電壓Vo≥10 V，則由公式P=U2／RL，可得，系統輸出功率的最大值為Pmax=102／（50-2）=2．08（W）。經前置放大和中放電路放大後，不具備驅動負載的能力，需經末級功率放大電路放大後才能達到系統對輸出功率的要求。

考慮到除高壓運放以外，一般運放的最大輸出電壓在供電電壓為±15 V時僅有±12 V左右，不能滿足輸出10 V有效值的要求。此處採用浮動運放電源電壓的方法將輸出電壓幅度擴展，利用互補對稱功放電路將輸出電流增大。

運算放大器的常規電源供電方式如圖3（a）所示。電源供電直接取自穩壓電源如圖3（b）所示，運放的供電電壓不再直接取自穩壓電源，而是由兩個三極體的發射機提供。R1=R2=R3=R4，忽略VBE壓降，則運放的供電電壓為：

由於三極體的作用，運算放大器的供電電壓隨輸出電壓的變化而變化，但是運放的正負供電電壓之差則保持不變。

經Multisim軟體仿真，將圖3中兩種運算放大器的最大輸出電壓進行比較，兩電路均設置為放大10倍的反相放大器。仿真結果顯示，圖3（b）電源接法放大器最大輸出為±24 V左右，圖3（a）常規電源接法放大器的最大輸出電壓為±12 V左右。圖4（a）為最大不失真輸出電壓的波形，此時的輸入電壓為土2．5 V，頻率為1 MHz，圖4（b）為同樣輸入±2．5 V、1 MHz信號時的輸出波形，可見信號已經嚴重截止失真。

2 核心硬體電路設計

2．1 可變增益電路

可變增益模塊選用TI公司的高增益可調寬帶壓控放大器VCA810，其特性包括高增益可調範圍-40～+40dB，增益控制準確度±1．5 dB（高精度型號為±0．9 dB），差分輸入單端輸出，不變的增益帶寬35 MHz，dB／V增益線性度±0．3 dB，增益控制帶寬25 MHz，低輸出DC誤差小於40 mV，高輸出電流±60 mA，低工作電流24．8 mA。

VCA810的工作原理是通過對其引腳3施加直流電壓來控制增益的大小。控制電壓與增益的函數關係式為：

當Vc從0 V變化到-2 V時，增益從-40 dB線性地變化到+40 dB。另外，當Vc電壓超過0 V時，增益為-80 dB。

VCA810電路原理圖如圖5所示，為了系統的穩定性，此處採用兩片VCA810級聯實現80 dB的動態範圍，增益控制方式有手動和預設兩種。

當工作在手動模式時，通過電位器分壓來提供Vc信號，當工作在預設模式時，通過鍵盤輸入增益值，然後經過單片機D／A輸出提供Vc信號。

2．2 功率放大電路

此模塊要對前級可控增益放大模塊輸出的信號進行功率放大，最後驅動50 Ω的負載電阻。如圖6所示，此處設計利用前文分析到的運放擴壓輸出電路先對信號進行電壓放大，然後進行電流放大，繼而完成功率放大的功能。

THS3001具有高達6 500 V／μs的轉換速率，420 MHz的-3 dB帶寬和良好的帶內平坦度，在110 MHz時，增益僅下降0．1 dB；大信號應用時具有40 ns的建立時間；差分增益誤差小於0．01％，差分相位誤差小於0．02％；非線性失真小於-96 dB；電源電壓可在±4．5～±15 V之間選擇。

電流放大部分採用MOSFET IRF9610和IRF610搭建的甲乙類放大器放大THS3001輸出的信號，電路如圖6所示。IRF610、IRF9610屬於Vishay公司的第3代Power MOSFET，為設計者提供了轉換快速、堅固耐用、低導通阻抗和高效益的強力組合。

3 測試

3．1 測試條件

在室溫25℃，普通實驗室條件下，採用掃頻儀對系統進行幅頻特性測試，採用信號源、示波器對系統的放大倍數進行測試。

3．2 測試方案及數據

通過函數發生器產生0～15 MHz有效值1 V的正弦波，然後經過-40 dB衰減器，產生有效值為10 mV的待測信號。通過按鍵輸入放大器預設增益，用雙蹤示波器分別觀測系統輸入和輸出信號的大小。圖7為部分測試結果的折線圖，系統最大增益達80dB，帶內增益起伏小於1dB。

在增益為40 dB時，增大輸入信號幅度，觀察50 Ω負載上的最大不失真輸出信號幅度，經測試，最大不失真電壓峰峰值為42 V。

在增益為60 dB時，將輸入端與地短接，測出輸出端噪聲電壓的峰峰值為0．2 V。

3．3 測試結果分析

由以上數據可知，系統在輸出功率方面有良好的性能，輸出功率可達4．41 W，超過設計指標2 W的要求。最大不失真輸出電壓為峰峰值42 V，比Multisim軟體仿真最大不失真輸出電壓峰峰值48 V小6 V，考慮到三極體參數不完全對稱等器件的實際情況，此結果可證明改進型運放供電電路切實有效。可變增益範圍為0～80dB，若在VCA810模塊中增加頻率補償和前後匹配等相關措施，增益動態範圍仍可進一步擴展，80 dB時失真度仍然很小，有進一步提高增益的可能性。0～60dB增益範圍內系統的噪聲抑制特性良好。測試過程中的誤差主要來源於電磁幹擾，以及信號源的噪聲電平。

結語

寬帶放大器以壓控增益放大器VCA810和超高速電流反饋放大器THS3001為核心，利用數位技術實現增益的預設，總增益範圍為0～80dB，通頻帶為0～15 MHz，最大輸出電壓峰峰值達42 V。前置放大器採用低噪聲電壓反饋寬帶放大器OPA2690，大大提高輸入電阻。後級功率放大採用運放擴壓和擴流輸出電路，有效地提高了系統的帶負載能力。

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