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高增益與高帶寬如何兼得?

發布時間:2020-05-18 來源:Xavier Ramus 責任編輯:wenwei

【導讀】由于我們必須采用多個功率級,因而同時實現高增益(1000 - V/V乃至更高)和高帶寬(數十 MHz)可能是一種挑戰。除了高增益、高帶寬方面的電路要求,還需要重點關注噪聲和穩定性問題。
 
查看下圖,了解三級放大器的總體架構。
 
高增益與高帶寬如何兼得?
 
每個逐次放大器產生的噪聲與前一級產生的噪聲加總為 RMS 和,然后用較后功率級的增益進行加權。對于一個三級架構而言,其噪聲可表示為:
 
高增益與高帶寬如何兼得?
 
而增益就是各級增益的乘積,如下所示:
 
高增益與高帶寬如何兼得?
 
到目前為止,我們有了電路架構和兩個方程式,但還未詳細介紹其實施方案。根據噪聲方程式,第一級將成為限制性因素。
 
對圖 1 所示的高增益配置的非反相輸入級噪聲,可用下式計算:
 
高增益與高帶寬如何兼得?
 
高增益與高帶寬如何兼得?
圖 1:簡化噪聲模型
 
就現在的情況而言,我們需要選擇一種具有最低電壓噪聲的放大器。由于我們想在第一級實現最高增益的同時還希望保持良好帶寬,所以我們將把目光投向具有最高增益帶寬積 (GBWP) 的最低電壓噪聲放大器。簡單進行參數搜索,獲得下列結果。
 
高增益與高帶寬如何兼得?
 
由于我們希望開發 +5-V 系統,因而我們可為第一級選擇 LMH6629。在獲得 50-V/V 增益的情況下,仍有 78MHz 帶寬。
 
當然,我們也可為任何其它級選擇相同的 LMH6629,但由于其他級的輸入電壓噪聲規格不必像第一級那樣嚴格,因而我們可進一步擴大搜索范圍,采用任何能夠實現高帶寬和高增益的器件。電流反饋放大器以及保持帶寬基本獨立于增益在這里無疑是最佳選擇。敬請參見下表詳列清單。
 
高增益與高帶寬如何兼得?
 
最高帶寬解決方案
 
在這里,我們可以根據放大器和所需帶寬考慮是選擇反相還是非反相增益電路。OPA695 可在反相配置中實現更低噪聲,而 OPA683 和 OPA684 則可在非反相配置中實現更低噪聲。
 
由于我們計劃在單級上實現高增益 (100-V/V),因而增益電阻器可低至 10W。在反相拓撲結構中,這可能會給驅動級造成額外的制約。增益電阻器應維持在 10W 和 50W 之間,而反饋電阻則應不超過 1.5KW。切記,頻率響應受反饋電阻 (RF) 限制,而反饋電容 (CF) 極點則會因組件、板面布局等造成寄生反饋電容。
 
將上述各點應用在電路中,并替換圖 1 中的理想放大器,就得到下面的圖 2。
 
高增益與高帶寬如何兼得?
圖 2:實施 10MHz 帶寬的 100,000-V/V 多級放大器。
 
可以在各級之間插入 RC 濾波器,以最大限度地降低所產生的噪聲。我們可將總體頻率響應和 -3dB 帶寬擬合成 6 階極點[1]。
 
 
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