高增益與高帶寬電路設計，如何實現(xiàn)？

由于我們必須采用多個功率級，因而同時實現(xiàn)高增益（1000 V/V 或更高）和高帶寬（數(shù)十 MHz）可能是一種挑戰(zhàn)。除了高增益與高帶寬的電路要求外，還需要重點關注噪聲與穩(wěn)定性問題。

查看下圖，了解三級放大器的整體架構。

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每個逐次放大器產(chǎn)生的噪聲與前一級產(chǎn)生的噪聲加總為 RMS 的和，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：

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而增益就是各級增益的乘積，如下所示：

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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(jù)噪聲方程式，第一級將成為限制性因素。

圖 1 所示，高增益配置中的非反相輸入級噪聲可用下列等式計算：

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圖 1：簡化的噪聲模型

大家明白，我們現(xiàn)在需要選擇一款電壓噪聲盡可能低的放大器。由于我們想在保持良好帶寬的同時，在第一級實現(xiàn)盡可能高的增益，所以我們將把目光投向具有最高增益帶寬積 (GBWP) 的、電壓噪聲盡可能低的放大器。快速進行參數(shù)搜索，可獲得以下結果。

部件號

輸入電壓噪聲密度(nV/rtHz)

GBWP (MHz)

OPA847

0.85

3900

OPA846

1.1

1800

LMH6629

0.69

3900

由于我們希望開發(fā) +5V 系統(tǒng)，因而我們可為第一級選擇 LMH6629。在獲得 50V/V 增益的情況下，隨后我們將實現(xiàn) 78MHz。

當然，我們也可為任何其它級選擇相同的 LMH6629，但由于輸入電壓噪聲規(guī)范不必像第一級那樣嚴格，因而我們可進一步擴大搜索范圍，獲得所有能夠實現(xiàn)高帶寬和高增益的器件。電流反饋放大器以及幾乎獨立于增益的帶寬保持在這里無疑是最佳選擇。參見下表，了解詳情。

部件號

帶寬增益(V/V)

帶寬 (MHz)

評論

OPA683

100

35

最低功耗解決方案

OPA684

100

70

最高等效 GBWP

OPA695

16

350

最高帶寬解決方案

在這里，我們可根據(jù)放大器及所需的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(xiàn)更低噪聲，而 OPA683 和 OPA684 則可在非反相配置中實現(xiàn)更低噪聲。

由于我們計劃在單級上實現(xiàn)高增益 (100-V/V)，因而增益電阻器可低至 10W。在反相拓撲中，這可能會給驅動級帶來更多的制約。增益電阻器應維持在 10W 和 50W 之間，而反饋電阻器則應不超過 1.5KW。切記，頻率響應將受反饋電阻器 (RF) 限制，而反饋電容器 (CF) 極點則會因組件與布局等原因實施一款寄生反饋電容器。

將所有這些綜合在一起，替換圖 1 中的理想放大器，可得到下圖 2。

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圖 2：實施 10MHz 帶寬的 100,000-V/V 多級放大器。

在各級之間插入 RC 濾波器，最大限度降低了所產(chǎn)生的噪聲。我們可將整體頻率響應與 -3dB 帶寬粗略估計為 6 個一階極點。