标题:
一种低噪声高增益零中频放大器的设计与实现
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作者:
porereading
时间:
2014-7-6 18:57
标题:
一种低噪声高增益零中频放大器的设计与实现
文中介绍了一种低噪声的零中频放大器的设计与实现，通过选用合适的集成运算放大器芯片，完成低噪声、高增益并具备滤波效果的零中频放大器的设计。阐述了运放芯片的选择依据，电路的工作原理并使用
Cadence
制板软件完成了电路板的设计。实际测试结果表明，该电路工作稳定，噪声、增益、滤波特性等效果均很好。
近年来，随着技术进步和制作工艺的提高，零中频技术广泛应用在通信领域，并在其他领域的应用也逐步扩大。作为高增益的放大器，噪声的抑制设计特别重要，否则噪声经过放大后，再加上电路的本底噪声，信噪比将很差，同时也要避免运算放大器的自激，破坏自激条件。本文中介绍的零中频放大器是将
150kHz
内微弱的微伏级信号进行放大，放大倍数为
2800
倍，接近
70 dB
；加入了滤波电路，有效抑制地抑制了谐波；选用了合适的芯片和电路结果，使得整个系统噪声很小。
1
电路设计
1.1
系统总体设计方案
在进行系统设计的时候，首先得考虑增益的分配问题，这直接关系到整个系统最后的性能，也关系到芯片性能的选择与芯片使用的数量。式（
1
）为级联电路的噪声系数公式：
式中，
Fi
为第
i
级电路的噪声系数，
Gi
为第
i
级电路的额定功率增益。可以看出，各级内部噪声的影响并不相同，级数越靠前，对总的噪声系数的影响越大。所以，为了使整个零中频放大器的总噪声系数小，第一级和第二级选择的运算放大器要满足噪声系数小、增益高。在本设计中，把第一、二级分别作为低噪声放大器和低通滤波器。
为增强电路的抗干扰能力，使用差分线进行传输，这样做的好处主要有两点：
1
）可以进行远距离信号传输；
2
）对外部电磁干扰（
EMI
）是高度免疫的。在第二级信号输出端对其进行处理变成差分信号，这里有两种方法，一种是使信号通过一级同相放大与一级反相放大实现差分，另一种是直接使用单端转差分的芯片。在本设计中，鉴于方便性与可靠性，选择了后者。
图
1
系统框图
最后，再用两个运算放大器对差分信号分别进行放大，同时增强其输出电流驱动能力。图
1
所示为整个零中频放大器电路的系统框图，并显示了每一级的电压放大倍数。
1.2
芯片选择与相应电路设计
芯片的选择主要由需要的性能指标决定，但满足要求的芯片一般都比较多，进一步的选择要考虑供电要求，这样便于统一供电，同时在系统前级的运算放大器压摆率要小于后级鉴于，此外。价格因素也不容忽视。
鉴于前两级的低噪高增益要求，选用了
TI
公司的
OPA1612
芯片，该芯片的电源供电范围很广，从
±2.25V
到
±18 V
，压摆率为
27V/μs
，开环增益可达
130 dB.
噪声性能极好，为
1.1n V/
。在
100 Hz
～
150 kHz
其等效输入噪声为
1.1×
≈425.886nV
，
20dB
放大基础下，信噪比将非常好。图
2
为设计的前两级电路原理图，采用了多路反馈（
MFB
）结构，这种结构主要用于高增益的滤波器中。这种结构最大的好处是设计灵活，在制板的时候采用这种结构方便调试。第一级和第二级的放大倍数分别为：
图中
R1
的作用主要是为前级电路提供直流回路，
C1
是隔直电容。此外，电阻的选择要合理，过大会增加电路的热噪声，过小会使功耗提高。
在本文设计的零中频放大器中，单端转差分的设计方案采用
ADA4941-1
芯片，它可工作在
±5 V
，无需外部元件就能获得
2
倍增益，在实际设计的时候，考虑到增益分配的问题，加入了电阻反馈网络，获得
4
倍增益。该芯片的失真度也很小，达到了
-110dBc
（
100 kHz
）。图
3
所示为
ADA4941-1
的工作原理图。输出电压为：
式中，
VIN
为前级的输出电压，
VG
为外部输入电压，
VREF
为连接到
REF
引脚上的电压，由式（
2
）和式（
3
）可知，输出共模电压为：
即输出共模电压即为连接到
REF
引脚上的电压。在本设计中
VG=0
，
VREF=0
，
R8=1.1kΩ
，
R10=3.3kΩ
，可知，输出共模电压为
0
，放大倍数为
4
倍，值得注意的是
DIS
为禁用管脚，在
±5 V
供电的时候
DIS
管脚上的电压要不大于
-4 V
才能使芯片工作。
图
3
单端转差分电路
图
4
反相信号放大电路原理图
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。在100 Hz～150 kHz其等效输入噪声为1.1×
