高增益与高带宽怎么兼得？

2301 增益放大器 RMS

作者: Xavier Ramus, ti
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乃至更高）和高带宽（数十 MHz）可能是一种挑战。除了高增益、高带宽方面的电路要求，还需要重点关注噪声和稳定性问题。
查看下图，了解三级放大器的总体架构。

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 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。
对图 1 所示的高增益配置的非反相输入级噪声，可用下式计算：

图 1：简化噪声模型
就现在的情况而言，我们需要选择一种具有最低电压噪声的放大器。由于我们想在第一级实现最高增益的同时还希望保持良好带宽，所以我们将把目光投向具有最高增益带宽积 (GBWP) 的最低电压噪声放大器。简单进行参数搜索，获得下列结果。

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 +5-V 系统，因而我们可为第一级选择 LMH6629。在获得 50-V/V 增益的情况下，仍有 78MHz 带宽。
当然，我们也可为任何其它级选择相同的 LMH6629，但由于其他级的输入电压噪声规格不必像第一级那样严格，因而我们可进一步扩大搜索范围，采用任何能够实现高带宽和高增益的器件。电流反馈放大器以及保持带宽基本独立于增益在这里无疑是最佳选择。敬请参见下表详列清单。

部件号	增益@带宽(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，我们可以根据放大器和所需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。在反相拓扑结构中，这可能会给驱动级造成额外的制约。增益电阻器应维持在 10W 和 50W 之间，而反馈电阻则应不超过 1.5KW。切记，频率响应受反馈电阻 (RF) 限制，而反馈电容 (CF) 极点则会因组件、板面布局等造成寄生反馈电容。
将上述各点应用在电路中，并替换图 1 中的理想放大器，就得到下面的图 2。

图 2：实施 10MHz 带宽的 100,000-V/V 多级放大器。
可以在各级之间插入 RC 滤波器，以最大限度地降低所产生的噪声。我们可将总体频率响应和 -3dB 带宽拟合成 6 阶极点[1]。