5V单电源供电的宽带低噪声放大器
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科技信息
高校理科研究
5V 单电源供电的宽带低噪声放大器
南京航空航天大学金城学院信息工程系 徐 俊
［摘 要］本次设计的宽带放大器为 5V 单电源供电的宽带低噪声放大器，整个系统通频带为 20Hz～30MHz，放大器电压增益 40dB (100 倍)。功率放大部分采用具有高驱动力的运放搭建，驱动 50 负载时，输出电压有效值可达 10V。放大器输入为正弦波时，可测量 并数字显示放大器输出电压的峰峰值和有效值，输出电压（峰峰值）测量范围为 0.5～10V，测量相对误差约 3.45%。 ［关键词］功率放大 高增益 直流放大器 低压差
（上接第 116 页） AD637 的内部结构如图 4 所示：
根据 AD637 芯片手册所给出的计算真有效值的经验公式为：
— — Vrms=
2
VIN Vrms
其中：VIN 为输入电压，Vrms 为输出电压有效值。
2.5 TPS61087 供电部分计算
大器 OPA820ID 设计，末级放大电路 THS3091D 设计，利用 DC- DC 变 换器 TPS61087DRC 为末级放大电路供电,MSP430F149 接受信号处理 并显示。在不影响性能的条件下给输入部分加了保护电路。使用了多种 抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激。功率输出部分采用分立元件 制作。整个系统通频带为 20Hz～30MHz，放大器电压增益 40dB(100 倍)。功率放大部分采用具有高驱动力的运放搭建，驱动 50 负载时，输 出电压有效值可达 10V。放大器输入为正弦波时，可测量并数字显示放 大器输出电压的峰峰值和有效值，输出电压（峰峰值）测量范围为 0.5～ 10V，测量相对误差约 3.45%。
［42］S.L.Wang, H.Yang,B.S.He.Solving a Class of Asymmetric Variational Inequalities by a New Alternating Direction method［J］.Computers and Mathematics with Applications,2000，40:927- 937.
图 5 TPS61087 电源升压电路
THS3091 需要单电源供电 17V- 18V，由 TPS61087 芯片提供，经查
此种方法电路简单，但是二级放大带宽减小的很厉害。
方案二：多级放大（不含三级）。此种方法带宽够大，但是电路复杂。
方案三：三级放大。前两级用 OPA820，OPA820 的 GBP 为 480M，由
两级 OPA820 和 THS3091 级联，足以达到题目要求。
1.4.2 测量有效值部分
方案一：利用高速 ADC 对电压进行采样，将一周期内的数据输入
效值显示。只用了简单的整流滤波电路和单片机就可以完成交流信号
有效值的测量。但此方法对非正弦波的测量会引起较大的误差。
方案三：采用集成真有效值变换芯片，直接输出被测信号的真有效
值。这样可以实现对任意波形的有效值测量。
综上所述，此次采用方案三，变换芯片选用 AD637。AD637 是真有
效值变换芯片，它可测量的信号有效值可高达 7V，精度优于 0.5％，且
［36］B.S. He, J. Zhou.A modified alternating direction method for convex minimization problems ［J］.Applied Mathematics Letter,2000, 13: 122- 130.
［37］D.R . Han, H.K. Lo.. A new stepsize rule in He and Zhou’s alternating direction method ［J］.Applied Mathematics Letters，2002,15:181185.
［34］D. Gabay.Applications of the method of multipliers to variational inequalities［A］/ / M. Fortin, R . Glowinski.Augmented Lagrangian Methods: Applications to the Solution of Boundary- Valued Problems［C］. North- HoLland:Amsterdam, 1983, 299- 331.
GBP=100×10M=1000M
V0=(1+
R2 R1
)Vi
图 2 OPA820 芯片电路
图 3 THS3091 芯片电路
V0=-
R13 R12
Vi
2.3 放大器稳定性分析
（1）放大器板上所有运放电源线及数字信号线均加电容滤波。电容
滤除较低频率的干扰。安装时尽量靠近 IC 电源和地。
（2）所有信号耦合用点解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频
［31］Li M., Yuan X.M..An improved Goldstein’s type method for a class of variant variational inequalitie［s J］. Journal of Computational and Applied Mathematics, 2008, 214(1): 304- 312.
单片机并计算其均方根值，即可得出电压有效值：
n
姨 Σ U=
1 N
2
Ui
i=1
此方案具有抗干扰能力强、设计灵活、精度高等优点，但调试困难、
高频时采样困难而且计算量大，增加了软件难度。
方案二：对信号进行精密整流并积分，得到正弦电压的平均值，再
进行 ADC 采样，利用平均值和有效值之间的简单换算关系，计算出有
［38］D.R .Han, H.K.Lo..New alternating direction method for a class of nonlinear variational inequality problem［s J］. Journal of Optimization Theory and Applications,2002,112(3):549- 560.
［39］D.R . Han. A modified alternating direction method for variational inequality problems ［J］.Applied Mathematics and Optimization,2002,45: 63- 74.
［40］Z.Zhou,A.Chen,D.R .Han.An extended alternating direction method for variational inequality problems with linear equality and inequality constraint［s J］.Applied Mathematics and Computation,2007,184:769- 782.
［35］D. Gabay, B. Mercier. A dual algorithm for the solution of nonlinear variational problems via finite- element approximation［s J］. Computers and Mathematics with Applications,1976,2:17- 40.
单个放大器是很难达到 1G 的 GBP，所以我们考虑多级放大器级 联。
经 过 查 阅 手 册 ，OPA820 的 GBP 为 480M， 由 两 级 OPA820 和 THS3091 级联，足以达到题目要求。
2.2 各级放大电路的外围电路计算
图 1 系统结构框图
1.3 实现方法
此次运用三级放大实现放大倍数至少为 40db 的要求。给所有方法
— 116 —
科技信息
高校理科研究
–Levitin–Polyak Projection Method for Asymmetric Strongly Monotone Variational Inequalities ［J］. Journal of Optimization Theory and Applications, 2002,112(1):129–143.
［41］D.R .Han,G.K.Lo,Z.W.Wang. A simple self- adaptive alternating direction method for linear variational inequality problems［J］.Computers and Mathematics with Applications,2007,53:1595- 1604.
［32］He B.S., He X.Z., Liu H.C., Wu R .. Self- adaptive projection method for co- coercive variational inequalities ［J］. European Journal of Operational R esearch,2009,196:43- 48.
［43］周叔子,胡伯霞.一类非对称变分不等式的非精确交替方向法 ［J］. 湖南大学学报(自然科学版),2007, 34(4):78- 80.
［44］胡伯霞.一类非对称单调变分不等式的交替方向法［J］.数学理 论与应用,2005, 25(3):42- 44.
［45］胡伯霞.非对称变分不等式的另一类非精确交替方向法［J］.衡 阳师范学院学报,2005,26(3):23- 25.
1、系统方案 1.1 系统分析 设计一个放大倍数 40db 带宽放大器，OPA820ID 作为第一级放大 电路，THS3091D 为末级放大电路，由于运算放大器带宽与放大倍数有 直接影响，所以如何合理分配放大倍数是关键。与以前所做的带宽放大 器不同，本设计要求运用电源，这对运算放大器的运用是一次很大的挑 战。 1.2 系统结构
干扰。
（3）在两个焊接板之间传递模拟信号时用同轴电缆，信号输入输出
使用 SMA- BNC 接头以使传输阻抗匹配，并可减少空间电磁波对本电
路的干扰，同时避免放大器自激。
（4）放大器模块使用铝制屏蔽盒，减少外界高频信号对模块的影
响。
图 4 AD637 的内部结构图 2.4 正弦电压有效值的计算
（下转第 119 页）
［30］Han D.R . and Sun W.Y.. A New Modified Goldstein- Levitin- Polyak Projection Method for Variational Inequality Problems［J］. Computers and Mathematics with Applications, 2004, 47:1817- 1825.
外围元件少，频带宽。
2、理论分析与参数计算
2.1 放大电路量放大器性能的一个参数，这个参
数表示增益和带宽的乘积。按照放大器的定义，这个乘积是一定的。
题目中要求放大器最大电压增益 AV≥40dB，即 Gain≥100V/V。
放大器的通频带 20Hz～30MHz，所以本放大器的带宽增益积为
［33］H. Uzawa,.Iterative methods for concave programming［A］/ / K.J. Arrow, L. Hurwicz, H. Uzawa. Studies in Linear and Nonlinear Programming［C］. California:Stanford University Press, 1958, 154- 165.
器加一个基准电压，实现了单电源芯片。由于第三级需要 +15V 供电所
以加个 DC- DC 变换器 TPS61087DRC 为末级放大电路供电。用 AD637
测量输出电压峰峰值和有效值，在运用 MSP430 显示出来。
1.4 方案选择
1.4.1 运算放大部分
方案一：二级放大，OPA820 作为第一级，THS3091 作为末级放大。
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5V 单电源供电的宽带低噪声放大器
南京航空航天大学金城学院信息工程系 徐 俊
［摘 要］本次设计的宽带放大器为 5V 单电源供电的宽带低噪声放大器，整个系统通频带为 20Hz～30MHz，放大器电压增益 40dB (100 倍)。功率放大部分采用具有高驱动力的运放搭建，驱动 50 负载时，输出电压有效值可达 10V。放大器输入为正弦波时，可测量 并数字显示放大器输出电压的峰峰值和有效值，输出电压（峰峰值）测量范围为 0.5～10V，测量相对误差约 3.45%。 ［关键词］功率放大 高增益 直流放大器 低压差
（上接第 116 页） AD637 的内部结构如图 4 所示：
根据 AD637 芯片手册所给出的计算真有效值的经验公式为：
— — Vrms=
2
VIN Vrms
其中：VIN 为输入电压，Vrms 为输出电压有效值。
2.5 TPS61087 供电部分计算
大器 OPA820ID 设计，末级放大电路 THS3091D 设计，利用 DC- DC 变 换器 TPS61087DRC 为末级放大电路供电,MSP430F149 接受信号处理 并显示。在不影响性能的条件下给输入部分加了保护电路。使用了多种 抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激。功率输出部分采用分立元件 制作。整个系统通频带为 20Hz～30MHz，放大器电压增益 40dB(100 倍)。功率放大部分采用具有高驱动力的运放搭建，驱动 50 负载时，输 出电压有效值可达 10V。放大器输入为正弦波时，可测量并数字显示放 大器输出电压的峰峰值和有效值，输出电压（峰峰值）测量范围为 0.5～ 10V，测量相对误差约 3.45%。
［42］S.L.Wang, H.Yang,B.S.He.Solving a Class of Asymmetric Variational Inequalities by a New Alternating Direction method［J］.Computers and Mathematics with Applications,2000，40:927- 937.
图 5 TPS61087 电源升压电路
THS3091 需要单电源供电 17V- 18V，由 TPS61087 芯片提供，经查
此种方法电路简单，但是二级放大带宽减小的很厉害。
方案二：多级放大（不含三级）。此种方法带宽够大，但是电路复杂。
方案三：三级放大。前两级用 OPA820，OPA820 的 GBP 为 480M，由
两级 OPA820 和 THS3091 级联，足以达到题目要求。
1.4.2 测量有效值部分
方案一：利用高速 ADC 对电压进行采样，将一周期内的数据输入
效值显示。只用了简单的整流滤波电路和单片机就可以完成交流信号
有效值的测量。但此方法对非正弦波的测量会引起较大的误差。
方案三：采用集成真有效值变换芯片，直接输出被测信号的真有效
值。这样可以实现对任意波形的有效值测量。
综上所述，此次采用方案三，变换芯片选用 AD637。AD637 是真有
效值变换芯片，它可测量的信号有效值可高达 7V，精度优于 0.5％，且
［36］B.S. He, J. Zhou.A modified alternating direction method for convex minimization problems ［J］.Applied Mathematics Letter,2000, 13: 122- 130.
［37］D.R . Han, H.K. Lo.. A new stepsize rule in He and Zhou’s alternating direction method ［J］.Applied Mathematics Letters，2002,15:181185.
［34］D. Gabay.Applications of the method of multipliers to variational inequalities［A］/ / M. Fortin, R . Glowinski.Augmented Lagrangian Methods: Applications to the Solution of Boundary- Valued Problems［C］. North- HoLland:Amsterdam, 1983, 299- 331.
GBP=100×10M=1000M
V0=(1+
R2 R1
)Vi
图 2 OPA820 芯片电路
图 3 THS3091 芯片电路
V0=-
R13 R12
Vi
2.3 放大器稳定性分析
（1）放大器板上所有运放电源线及数字信号线均加电容滤波。电容
滤除较低频率的干扰。安装时尽量靠近 IC 电源和地。
（2）所有信号耦合用点解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频
［31］Li M., Yuan X.M..An improved Goldstein’s type method for a class of variant variational inequalitie［s J］. Journal of Computational and Applied Mathematics, 2008, 214(1): 304- 312.
单片机并计算其均方根值，即可得出电压有效值：
n
姨 Σ U=
1 N
2
Ui
i=1
此方案具有抗干扰能力强、设计灵活、精度高等优点，但调试困难、
高频时采样困难而且计算量大，增加了软件难度。
方案二：对信号进行精密整流并积分，得到正弦电压的平均值，再
进行 ADC 采样，利用平均值和有效值之间的简单换算关系，计算出有
［38］D.R .Han, H.K.Lo..New alternating direction method for a class of nonlinear variational inequality problem［s J］. Journal of Optimization Theory and Applications,2002,112(3):549- 560.
［39］D.R . Han. A modified alternating direction method for variational inequality problems ［J］.Applied Mathematics and Optimization,2002,45: 63- 74.
［40］Z.Zhou,A.Chen,D.R .Han.An extended alternating direction method for variational inequality problems with linear equality and inequality constraint［s J］.Applied Mathematics and Computation,2007,184:769- 782.
［35］D. Gabay, B. Mercier. A dual algorithm for the solution of nonlinear variational problems via finite- element approximation［s J］. Computers and Mathematics with Applications,1976,2:17- 40.
单个放大器是很难达到 1G 的 GBP，所以我们考虑多级放大器级 联。
经 过 查 阅 手 册 ，OPA820 的 GBP 为 480M， 由 两 级 OPA820 和 THS3091 级联，足以达到题目要求。
2.2 各级放大电路的外围电路计算
图 1 系统结构框图
1.3 实现方法
此次运用三级放大实现放大倍数至少为 40db 的要求。给所有方法
— 116 —
科技信息
高校理科研究
–Levitin–Polyak Projection Method for Asymmetric Strongly Monotone Variational Inequalities ［J］. Journal of Optimization Theory and Applications, 2002,112(1):129–143.
［41］D.R .Han,G.K.Lo,Z.W.Wang. A simple self- adaptive alternating direction method for linear variational inequality problems［J］.Computers and Mathematics with Applications,2007,53:1595- 1604.
［32］He B.S., He X.Z., Liu H.C., Wu R .. Self- adaptive projection method for co- coercive variational inequalities ［J］. European Journal of Operational R esearch,2009,196:43- 48.
［43］周叔子,胡伯霞.一类非对称变分不等式的非精确交替方向法 ［J］. 湖南大学学报(自然科学版),2007, 34(4):78- 80.
［44］胡伯霞.一类非对称单调变分不等式的交替方向法［J］.数学理 论与应用,2005, 25(3):42- 44.
［45］胡伯霞.非对称变分不等式的另一类非精确交替方向法［J］.衡 阳师范学院学报,2005,26(3):23- 25.
1、系统方案 1.1 系统分析 设计一个放大倍数 40db 带宽放大器，OPA820ID 作为第一级放大 电路，THS3091D 为末级放大电路，由于运算放大器带宽与放大倍数有 直接影响，所以如何合理分配放大倍数是关键。与以前所做的带宽放大 器不同，本设计要求运用电源，这对运算放大器的运用是一次很大的挑 战。 1.2 系统结构
干扰。
（3）在两个焊接板之间传递模拟信号时用同轴电缆，信号输入输出
使用 SMA- BNC 接头以使传输阻抗匹配，并可减少空间电磁波对本电
路的干扰，同时避免放大器自激。
（4）放大器模块使用铝制屏蔽盒，减少外界高频信号对模块的影
响。
图 4 AD637 的内部结构图 2.4 正弦电压有效值的计算
（下转第 119 页）
［30］Han D.R . and Sun W.Y.. A New Modified Goldstein- Levitin- Polyak Projection Method for Variational Inequality Problems［J］. Computers and Mathematics with Applications, 2004, 47:1817- 1825.
外围元件少，频带宽。
2、理论分析与参数计算
2.1 放大电路量放大器性能的一个参数，这个参
数表示增益和带宽的乘积。按照放大器的定义，这个乘积是一定的。
题目中要求放大器最大电压增益 AV≥40dB，即 Gain≥100V/V。
放大器的通频带 20Hz～30MHz，所以本放大器的带宽增益积为
［33］H. Uzawa,.Iterative methods for concave programming［A］/ / K.J. Arrow, L. Hurwicz, H. Uzawa. Studies in Linear and Nonlinear Programming［C］. California:Stanford University Press, 1958, 154- 165.
器加一个基准电压，实现了单电源芯片。由于第三级需要 +15V 供电所
以加个 DC- DC 变换器 TPS61087DRC 为末级放大电路供电。用 AD637
测量输出电压峰峰值和有效值，在运用 MSP430 显示出来。
1.4 方案选择
1.4.1 运算放大部分
方案一：二级放大，OPA820 作为第一级，THS3091 作为末级放大。