低噪声高增益零中频放大器的设计解析

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。