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150 kHz内微弱的微伏级信号进行放大，放大倍数为2 800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±2.25 V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，20 dB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-110 dBc（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=1.1 kΩ，R10=3.3 kΩ，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

最后一级主要是提高驱动能力并进一步提高增益，需要选用输出电流能力大的运算放大器。选用LMH6643，该芯片集成了两个运放，可分别为前面的差分信号提供服务，可用±5 V供电，线性输出电流达±75 mA，压摆率为130V/μs.图4给出了反相信号的放大电路原理图，正相信号与反相信号的工作原理一致，采用的也是多路反馈结构，放大倍数为7倍，R19=2 kΩ，这个电阻特别重要，不合适的值会引起信号的失真。

2设计结果

原理图设计完成后就开始PCB的制作，使用Cadence公司的OrCAD软件画PCB板。由于零中频放大器前级通常是高频电路，为防止高频信号泄漏对其产生干扰，同时也为了安装方便，将零中频放大器电路板装配在金属盒中，设计的电路板为单面板，底层全为地。设汁的电路板尺寸为45 mm×25 mm.图5和图6为设计的PCB与实物图。


图5 实际PCB图

图6 装配好的实物图

3测试结果

对设计好的零中频放大器电路板进行焊接和装配，采用±8 V供电，经过7905和7805两款稳压芯片后得到-5 V和+5 V，为设计中用到的运算放大器芯片OPA1612，ADA4941-1，LMH6643进行供电。


图7 测试结果

图7（a）为输入信号峰峰值为2 mV，频率为50 kHz时的波形，其输出峰峰值为5.6 V，可得到该放大器的增益为68.9 dB；图7（b）给出了50 kHz时的频谱特性，其中在61 kHz处的频谱是由信号源本身自带的，与设计的系统无关；图7（c）显示了整个系统的滤波特性，其3 dB带宽约为150 kHz，由于设计中采用了巴特沃斯滤波器结构，在150 kHz内的频率响应曲线比较平滑，观察频谱幅度可以发现信号比噪声幅度至少大40 dB，抑制噪声效果良好；图7（d）显示了用ADA4941-1芯片来实现单端转差分的测试结果，可以看出，在4倍放大的情况下相位偏差与幅度偏差均非常小；图7（e）为测试信号不失真情况下最大可输出电压峰峰值为9.8V.从以上测试结果可以看出，设计效果良好，实现了低噪声、高增益的目标。

4结论

文中主要阐述了一种低噪声零中频放大器的设计原理与实现，重点介绍了设计依据、芯片选择及其工作原理，并简单介绍了设计中该注意的问题。该系统目前已通过最终的测试，测试结果良好，实现了低噪声、高增益的设计目标。