高增益与高带宽怎么兼得

1597 高增益带宽滤波器

作者：Xavier Ramus 德州仪器

由于我们必须采用多个功率级，因而同时实现高增益（1000 V/V 或更高）和高带宽（数十 MHz）可能是一种挑战。除了高增益与高带宽的电路要求外，还需要重点关注噪声与稳定性问题。
查看下图，了解三级放大器的整体架构。

每个逐次放大器产生的噪声与前一级产生的噪声加总为 RMS 的和，然后用较后功率级的增益进行加权。对于一个三级架构而言，其噪声可表示为：

而增益就是各级增益的乘积，如下所示：

到目前为止，我们有了电路架构和两个方程式，但还未详细介绍其实施方案。根据噪声方程式，第一级将成为限制性因素。
图 1 所示，高增益配置中的非反相输入级噪声可用下列等式计算：

图 1：简化的噪声模型
大家明白，我们现在需要选择一款电压噪声尽可能低的放大器。由于我们想在保持良好带宽的同时，在第一级实现尽可能高的增益，所以我们将把目光投向具有最高增益带宽积 (GBWP) 的、电压噪声尽可能低的放大器。快速进行参数搜索，可获得以下结果。

部件号	输入电压噪声密度(nV/rtHz)	GBWP (MHz)
OPA847	0.85	3900
OPA846	1.1	1800
LMH6629	0.69	3900

由于我们希望开发 +5V 系统，因而我们可为第一级选择 LMH6629。在获得 50V/V 增益的情况下，随后我们将实现 78MHz。
当然，我们也可为任何其它级选择相同的 LMH6629，但由于输入电压噪声规范不必像第一级那样严格，因而我们可进一步扩大搜索范围，获得所有能够实现高带宽和高增益的器件。电流反馈放大器以及几乎独立于增益的带宽保持在这里无疑是最佳选择。参见下表，了解详情。

部件号	带宽增益(V/V)	带宽 (MHz)	评论
OPA683	100	35	最低功耗解决方案
OPA684	100	70	最高等效 GBWP
OPA695	16	350	最高带宽解决方案

在这里，我们可根据放大器及所需的带宽考虑是选择反相还是非反相增益电路。OPA695 可在反相配置中实现更低噪声，而 OPA683 和 OPA684 则可在非反相配置中实现更低噪声。
由于我们计划在单级上实现高增益 (100-V/V)，因而增益电阻器可低至 10W。在反相拓扑中，这可能会给驱动级带来更多的制约。增益电阻器应维持在 10W 和 50W 之间，而反馈电阻器则应不超过 1.5KW。切记，频率响应将受反馈电阻器 (RF) 限制，而反馈电容器 (CF) 极点则会因组件与布局等原因实施一款寄生反馈电容器。
将所有这些综合在一起，替换图 1 中的理想放大器，可得到下图 2。

图 2：实施 10MHz 带宽的 100,000-V/V 多级放大器。
在各级之间插入 RC 滤波器，最大限度降低了所产生的噪声。我们可将整体频率响应与 -3dB 带宽粗略估计为 6 个一阶极点。