基于500 MHz寬帶放大電路的設(shè)計(jì)討論

馮廷亮，黃明，徐德仁，吉祥，李佳駿

（北方工業(yè)大學(xué)，北京，100144）

基于500 MHz寬帶放大電路的設(shè)計(jì)討論

馮廷亮，黃明，徐德仁，吉祥，李佳駿

（北方工業(yè)大學(xué)，北京，100144）

隨著通信速率的增加，電子產(chǎn)品對(duì)于信號(hào)速率帶寬的要求越來越高。本文主要探討了在制作500 MHz寬帶放大電路時(shí)，所遇到的正/負(fù)相比例放大電路對(duì)電流型放大器帶寬的影響問題，并應(yīng)用壓擺率的概念解釋了其對(duì)應(yīng)帶寬的不同。本文結(jié)論具有一定的研究和借鑒價(jià)值。

正/負(fù)相比例放大電路；壓擺率；寬帶

引言

隨著通信行業(yè)的發(fā)展，對(duì)于信號(hào)帶寬的要求也越來越高。在研究分析中，使用TI公司生產(chǎn)的OPA695芯片制作500MHz寬帶放大鏈路時(shí)，發(fā)現(xiàn)采用正/負(fù)相輸入不同的設(shè)計(jì)電路，會(huì)導(dǎo)致頻帶差異很大的問題。

本文針對(duì)這個(gè)問題設(shè)計(jì)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?duì)比電路測(cè)試，并結(jié)合數(shù)據(jù)手冊(cè)和仿真探討，最終應(yīng)用器件手冊(cè)里的壓擺率指標(biāo)合理解釋了產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。

1 理想運(yùn)放電路理論分析

對(duì)于理想的集成運(yùn)放構(gòu)成的放大電路，正/負(fù)相比例放大電路只會(huì)影響到輸出信號(hào)的相位（正相放大輸出相位不變，負(fù)相放大輸出相反180°），而輸出信號(hào)的帶寬特性保持一致［1］。

參考了TI 電流型反饋運(yùn)放OPA695官方推薦典型電路，如圖1和圖2所示，進(jìn)行理論分析。

根據(jù)上述兩種推薦電路分析可知：在理想狀態(tài)下，電流型反饋運(yùn)放正相輸入阻抗無窮大，負(fù)相輸入阻抗為0，放大倍數(shù)為無窮大。由此推導(dǎo)可得：對(duì)于理想放大器而言，無論采用正還是負(fù)相放大電路實(shí)現(xiàn)，兩者帶寬理論一致，并無差別。

圖1　OPA695正相輸入電路圖［2］

圖2　OPA695負(fù)相輸入電路圖［2］

但是在實(shí)測(cè)中，由OPA695芯片制作成的兩種放大電路，其帶寬相差十分明顯。為此，專門設(shè)計(jì)了兩種對(duì)比電路進(jìn)行實(shí)測(cè)，以探究其原因。

2 實(shí)測(cè)電路設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果

對(duì)比測(cè)試的目的在于：在相同條件下對(duì)比正/負(fù)相放大電路的帶寬特性，并探究其原因。為此，兩種電路采用相同的主放大芯片OPA695，采用相同的電路PCB整體布局策略，并根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的最佳阻容值，使用相同的供電系統(tǒng)。不同之處在于：一種從芯片的正相端輸入信號(hào)進(jìn)行放大；另一種從芯片的負(fù)相端輸入信號(hào)進(jìn)行放大。下面進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)及說明。

2.1統(tǒng)一的電路PCB整體布局策略

正/負(fù)相比例放大電路分別制作成獨(dú)立的單元模塊，均采用±5 V雙電源供電，信號(hào)通過SMA接頭形成對(duì)外50歐姆阻抗匹配的輸入、輸出。電路的主體為正/負(fù)相比例放大電路，其兩側(cè)分別接50歐姆阻抗匹配電路，再通過SMA接頭的連接屏蔽電纜作為輸入和輸出。

2.2統(tǒng)一的主芯片及工作原理

主芯片均采用TI的超寬帶電流反饋型運(yùn)算放大器——OPA695芯片，它具有不受增益帶寬積限制的特性，并且在很寬的頻帶范圍內(nèi)具有良好的頻率穩(wěn)定性，其最高壓擺率為4 300 V/μs。OPA695的工作模型如圖3所示。

圖3　OPA695放大理論工作模型［3］

與電流反饋型放大器相比，電壓反饋型放大器在10 MHz 以下、低增益和小信號(hào)條件下會(huì)擁有更好的直流精度和失真性能；而電流反饋放大器在10 MHz 以上、高增益和大信號(hào)調(diào)理中會(huì)表現(xiàn)出更好的帶寬和失真度。因此在高速信號(hào)調(diào)理中，當(dāng)信號(hào)頻率大于10 MHz時(shí)，就要優(yōu)先考慮選擇電流反饋放大器［4］。

2.3不同的正/負(fù)相放大電路設(shè)計(jì)

正/負(fù)相電路圖分別如圖4和圖5所示，它們的放大倍數(shù)基本一致，用于測(cè)試帶寬的不同。

圖4　正相比例放大電路圖

圖5　負(fù)相比例放大電路圖

根據(jù)推薦電路及電阻阻值，我們可以分別計(jì)算出正/負(fù)相輸入的放大倍數(shù)，正相輸入放大倍數(shù)為

負(fù)相輸入放大倍數(shù)為:

可以看出：正/負(fù)相輸入電路的放大倍數(shù)均為12 dB左右。

2.4正/負(fù)相放大電路帶寬不一致現(xiàn)象實(shí)測(cè)

測(cè)試條件：±5 V雙電源供電、功率0 dB的10 MHz～800 MHz掃頻信號(hào)源

測(cè)試儀器：安捷倫N9310A射頻信號(hào)源和安捷倫N9320B頻譜儀

輸入輸出采用北京古波50歐姆阻抗匹配的5 cm SMA半柔性電纜連接。

測(cè)試結(jié)果：正相輸入時(shí)電路輸出頻譜圖如圖6和圖7所示。

圖6　頻率200.6 MHz，放大倍數(shù)11.95 dB

圖7　頻率399.8 MHz，放大倍數(shù)8.88 dB

通帶內(nèi)放大倍數(shù)接近12 dB，符合放大器的放大倍數(shù)要求。正相放大的-3 dB帶寬為380 MHz左右。由圖6和圖7可以看出，雖然按照設(shè)計(jì)目的的要求，此正相放大器的-3 dB帶寬應(yīng)在500 MHz左右，但由于壓擺率的影響，使得芯片在工作于正相放大時(shí)的帶寬受到影響，下降至380 MHz左右。

負(fù)相輸入時(shí)電路輸出頻譜圖如圖8和圖9所示。

圖8　頻率99.3 MHz，放大倍數(shù)11.94 dB

圖9　頻率501.2 MHz，放大倍數(shù)10.30 dB

通帶內(nèi)放大倍數(shù)接近12 dB，且放大倍數(shù)最大出現(xiàn)在300 MHz左右，為12.53 dB。圖9中出現(xiàn)在220 MHz左右的尖峰，為掃頻儀產(chǎn)生的信號(hào)波動(dòng)，并不影響放大器性能。頻率為500 MHz時(shí)放大倍數(shù)為10.30 dB，而-3dB通頻帶為550 MHz左右。

測(cè)試表明，正相比例放大電路不能設(shè)計(jì)出500 MHz帶寬的放大電路，但負(fù)相比例放大電路可以滿足要求。

3 分析與探討

首先參考官方給出的OPA695芯片參數(shù)：

圖10　OPA695芯片手冊(cè)數(shù)據(jù)參數(shù)圖［2］

對(duì)于圖表參數(shù)，設(shè)計(jì)人員通常都會(huì)首先關(guān)注放大不同倍數(shù)時(shí)，RF、RG的取值以及對(duì)應(yīng)的理論帶寬，鮮有關(guān)注不同相輸入時(shí)，壓擺率對(duì)帶寬造成的影響。

查閱壓擺率（SR）定義，是指輸入為階躍信號(hào)或高頻大信號(hào)時(shí)，閉環(huán)放大器的輸出電壓時(shí)間變化率的平均值。它與帶寬的關(guān)系可以通過公式算出，其中BW為帶寬，SR為壓擺率，VPP為輸入信號(hào)的峰峰值［5］。那么可以通過參數(shù)表中數(shù)據(jù)推算出當(dāng)輸入信號(hào)峰峰值為1 V，正相輸入時(shí)的帶寬

負(fù)相輸入時(shí)的帶寬

由此，理論上得出負(fù)相輸入時(shí)帶寬是正相的1.48倍。

對(duì)比章節(jié)2.4中的測(cè)試結(jié)果可知，負(fù)相輸入時(shí)帶寬與正相輸入時(shí)帶寬之比為

與理論推算的1.48倍帶寬比接近，所以可以得出，正負(fù)相輸入對(duì)于頻帶影響是比較大的，尤其是當(dāng)輸入信號(hào)為階躍信號(hào)或高頻大信號(hào)時(shí)。而壓擺率是除了帶寬之外的另一個(gè)較為重要的參數(shù)，在之后的放大器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予重視，而不能盲目迷信仿真軟件。

4 結(jié)論

在日常設(shè)計(jì)放大器時(shí)，帶寬是首先考慮的一個(gè)指標(biāo)。然而，當(dāng)輸入信號(hào)為階躍信號(hào)或高頻大信號(hào)時(shí)，壓擺率則成為一個(gè)值得重視的參數(shù)。通過此次對(duì)OPA695芯片設(shè)計(jì)的500 MHz寬帶放大器的討論，可以看到壓擺率對(duì)頻帶的較大影響，并且可以通過對(duì)壓擺率的計(jì)算推出相應(yīng)的帶寬。此方法具有一定的推廣性，并且值得進(jìn)行更加深入的研究。

致謝

本課題受到北京市大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目、北方工業(yè)大學(xué)學(xué)生科技活動(dòng)項(xiàng)目的資助與支持。

［1］華成英. 面向21世紀(jì)課程教材: 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第4版）［M］.北京: 高等教育出版社， 2006.

［2］TI公司. OPA695 Datasheet. OPA695.pdf ［Z］.

［3］黃爭(zhēng)， 李琰. 佚名. 運(yùn)算放大器應(yīng)用手冊(cè): 基礎(chǔ)知識(shí)篇［M］. 北京:電子工業(yè)出版社， 2010.

［4］TI公司. 德州儀器半導(dǎo)體技術(shù)（上海）有限公司大學(xué)計(jì)劃. 德州儀器高性能模擬器件高校應(yīng)用指南［Z］. 2013， 08.

［5］黃智偉. 射頻小信號(hào)放大器電路設(shè)計(jì)［M］. 陜西: 西安電子科技大學(xué)出版社， 2008.

馮廷亮（1995-），男，甘肅武威人，2013級(jí)在讀本科生，參與實(shí)驗(yàn)室開放課題研究，研究方向：寬帶模擬信號(hào)處理。

E-mail: 1120884684@qq.com。

Design and Discussion of 500 MHz Broadband Amplifier

Tingliang Feng， Ming Huang， Deren Xu， Xiang Ji， Jiajun Li（North China University of Technology， Beijing， 100144， China）

With increasing rate of mass communication， the requirement of signal's rate and bandwidth is higher and higher. This article mainly discusses the influences of current amplifiers' bandwidth caused by the differences of positive/negative phase amplifier circuit， and uses slew rate to explain the reason. The conclusion has the value to research and reference.

Positive/Negative Phase Amplifier Circuit； Slew Rate； Broadband

TP311

A

2095-8412 （2016） 04-691-04

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.029