一種低噪聲高增益零中頻放大器的設計與實現(xiàn)

吳敏杰，楊 駿，馮 起，潘玉劍，袁乃昌

（國防科學技術(shù)大學 電子科學與工程學院，湖南 長沙 410073）

近年來，隨著技術(shù)進步和制作工藝的提高，零中頻技術(shù)廣泛應用在通信領(lǐng)域，并在其他領(lǐng)域的應用也逐步擴大。作為高增益的放大器，噪聲的抑制設計特別重要，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，同時也要避免運算放大器的自激，破壞自激條件。本文中介紹的零中頻放大器是將150 kHz內(nèi)微弱的微伏級信號進行放大，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，使得整個系統(tǒng)噪聲很小。

1 電路設計

1.1 系統(tǒng)總體設計方案

在進行系統(tǒng)設計的時候，首先得考慮增益的分配問題，這直接關(guān)系到整個系統(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）為級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)公式：

式中，F(xiàn)i為第i級電路的噪聲系數(shù)，Gi為第i級電路的額定功率增益。可以看出，各級內(nèi)部噪聲的影響并不相同，級數(shù)越靠前，對總的噪聲系數(shù)的影響越大[1]。所以，為了使整個零中頻放大器的總噪聲系數(shù)小，第一級和第二級選擇的運算放大器要滿足噪聲系數(shù)小、增益高。在本設計中，把第一、二級分別作為低噪聲放大器和低通濾波器。

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

最后，再用兩個運算放大器對差分信號分別進行放大，同時增強其輸出電流驅(qū)動能力。圖 1所示為整個零中頻放大器電路的系統(tǒng)框圖，并顯示了每一級的電壓放大倍數(shù)。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig. 1 Frame of system

1.2 芯片選擇與相應電路設計

芯片的選擇主要由需要的性能指標決定，但滿足要求的芯片一般都比較多，進一步的選擇要考慮供電要求，這樣便于統(tǒng)一供電，同時在系統(tǒng)前級的運算放大器壓擺率要小于后級鑒于，此外，價格因素也不容忽視。

鑒于前兩級的低噪高增益要求，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27 V/μs，開環(huán)增益可達130 dB。噪聲性能極好[2]，為在100 Hz～150 kHz其等效輸入噪聲為V ，20 dB放大基礎下，信噪比將非常好。圖 2為設計的前兩級電路原理圖，采用了多路反饋（MFB）結(jié)構(gòu)[3]，這種結(jié)構(gòu)主要用于高增益的濾波器中。這種結(jié)構(gòu)最大的好處是設計靈活，在制板的時候采用這種結(jié)構(gòu)方便調(diào)試。第一級和第二級的放大倍數(shù)分別為：

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

圖2 OPA1612工作電路原理圖Fig. 2 Working circuit s of the OPA1612

在本文設計的零中頻放大器中，單端轉(zhuǎn)差分的設計方案采用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，在實際設計的時候，考慮到增益分配的問題，加入了電阻反饋網(wǎng)絡，獲得4倍增益。該芯片的失真度也很小，達到了-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。在本設計中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供電的時候DIS管腳上的電壓要不大于-4 V才能使芯片工作[4]。

最后一級主要是提高驅(qū)動能力并進一步提高增益，需要選用輸出電流能力大的運算放大器。選用LMH6643，該芯片集成了兩個運放，可分別為前面的差分信號提供服務，可用±5 V 供電[5]，線性輸出電流達±75 mA，壓擺率為130 V/ μs。圖 4給出了反相信號的放大電路原理圖，正相信號與反相信號的工作原理一致，采用的也是多路反饋結(jié)構(gòu)，放大倍數(shù)為7倍，R19=2 kΩ，這個電阻特別重要，不合適的值會引起信號的失真。

圖3 單端轉(zhuǎn)差分電路Fig. 3 Single-ended-to -differential

圖4 反相信號放大電路原理圖Fig. 4 Inverted signal amplification circuit

2 設計結(jié)果

原理圖設計完成后就開始PCB的制作，使用Cadence公司的OrCAD軟件畫PCB板[6]。由于零中頻放大器前級通常是高頻電路，為防止高頻信號泄漏對其產(chǎn)生干擾，同時也為了安裝方便，將零中頻放大器電路板裝配在金屬盒中，設計的電路板為單面板，底層全為地。設計的電路板尺寸為45 mm×25 mm。圖 5和圖6為設計的PCB與實物圖。

圖5 實際PCB圖Fig. 5 Actual diagram of PCB

圖6 裝配好的實物圖Fig. 6 Assembled physical diagram

3 測試結(jié)果

對設計好的零中頻放大器電路板進行焊接和裝配，采用±8 V 供電，經(jīng)過7905和7805兩款穩(wěn)壓芯片后得到-5 V和+5 V，為設計中用到的運算放大器芯片OPA1612，ADA4941-1，LMH6643進行供電。

圖7 測試結(jié)果Fig. 7 Test results

圖 7（a）為輸入信號峰峰值為2 mV，頻率為50 kHz時的波形，其輸出峰峰值為5.6 V，可得到該放大器的增益為68.9 dB；圖 7（b）給出了50 kHz時的頻譜特性，其中在61 kHz處的頻譜是由信號源本身自帶的，與設計的系統(tǒng)無關(guān)；圖 7（c）顯示了整個系統(tǒng)的濾波特性，其3 dB帶寬約為150 kHz，由于設計中采用了巴特沃斯濾波器結(jié)構(gòu)，在150 kHz內(nèi)的頻率響應曲線比較平滑 ，觀察頻譜幅度可以發(fā)現(xiàn)信號比噪聲幅度至少大40 dB，抑制噪聲效果良好；圖 7（d）顯示了用ADA4941-1芯片來實現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分的測試結(jié)果，可以看出，在4倍放大的情況下相位偏差與幅度偏差均非常小；圖 7（e）為測試信號不失真情況下最大可輸出電壓峰峰值為9.8 V。從以上測試結(jié)果可以看出，設計效果良好，實現(xiàn)了低噪聲、高增益的目標。

4 結(jié) 論

文中主要闡述了一種低噪聲零中頻放大器的設計原理與實現(xiàn)，重點介紹了設計依據(jù)、芯片選擇及其工作原理，并簡單介紹了設計中該注意的問題。該系統(tǒng)目前已通過最終的測試，測試結(jié)果良好，實現(xiàn)了低噪聲、高增益的設計目標。

[1] 丁鷺飛，耿富錄.雷達原理[M].西安:西安電子科技大學出版社,2002.

[2] Texas Instruments Corp.OPA1612 Data Sheet[EB/OL].(2013)[2013-5-12].http://www.ti.com.cn/lit/ds/symlink/opa1612.pdf.

[3] 姚劍清譯.運算放大器權(quán)威指南[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[4] Analog Device Corp.ADA4941-1 Data Sheet[EB/OL].(2011)[2013-5-12].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADA4941-1.pdf.

[5] Texas Instruments Corp.LMH6643 Data Sheet[EB/OL].(2013)[2013-5-12].http://www.ti.com.cn/lit/ds/symlink/lmh6643.pdf.

[6]蘭吉昌等.Cadence完全學習手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2010.