基于500 MHz宽带放大电路的设计讨论

冯廷亮，黄明，徐德仁，吉祥，李佳骏

（北方工业大学，北京，100144）

基于500 MHz宽带放大电路的设计讨论

冯廷亮，黄明，徐德仁，吉祥，李佳骏

（北方工业大学，北京，100144）

随着通信速率的增加，电子产品对于信号速率带宽的要求越来越高。本文主要探讨了在制作500 MHz宽带放大电路时，所遇到的正/负相比例放大电路对电流型放大器带宽的影响问题，并应用压摆率的概念解释了其对应带宽的不同。本文结论具有一定的研究和借鉴价值。

正/负相比例放大电路；压摆率；宽带

引言

随着通信行业的发展，对于信号带宽的要求也越来越高。在研究分析中，使用TI公司生产的OPA695芯片制作500MHz宽带放大链路时，发现采用正/负相输入不同的设计电路，会导致频带差异很大的问题。

本文针对这个问题设计了严谨的对比电路测试，并结合数据手册和仿真探讨，最终应用器件手册里的压摆率指标合理解释了产生这种现象的原因。

1 理想运放电路理论分析

对于理想的集成运放构成的放大电路，正/负相比例放大电路只会影响到输出信号的相位（正相放大输出相位不变，负相放大输出相反180°），而输出信号的带宽特性保持一致［1］。

参考了TI 电流型反馈运放OPA695官方推荐典型电路，如图1和图2所示，进行理论分析。

根据上述两种推荐电路分析可知：在理想状态下，电流型反馈运放正相输入阻抗无穷大，负相输入阻抗为0，放大倍数为无穷大。由此推导可得：对于理想放大器而言，无论采用正还是负相放大电路实现，两者带宽理论一致，并无差别。

图1　OPA695正相输入电路图［2］

图2　OPA695负相输入电路图［2］

但是在实测中，由OPA695芯片制作成的两种放大电路，其带宽相差十分明显。为此，专门设计了两种对比电路进行实测，以探究其原因。

2 实测电路设计及测试结果

对比测试的目的在于：在相同条件下对比正/负相放大电路的带宽特性，并探究其原因。为此，两种电路采用相同的主放大芯片OPA695，采用相同的电路PCB整体布局策略，并根据数据手册提供的最佳阻容值，使用相同的供电系统。不同之处在于：一种从芯片的正相端输入信号进行放大；另一种从芯片的负相端输入信号进行放大。下面进行详细设计及说明。

2.1统一的电路PCB整体布局策略

正/负相比例放大电路分别制作成独立的单元模块，均采用±5 V双电源供电，信号通过SMA接头形成对外50欧姆阻抗匹配的输入、输出。电路的主体为正/负相比例放大电路，其两侧分别接50欧姆阻抗匹配电路，再通过SMA接头的连接屏蔽电缆作为输入和输出。

2.2统一的主芯片及工作原理

主芯片均采用TI的超宽带电流反馈型运算放大器——OPA695芯片，它具有不受增益带宽积限制的特性，并且在很宽的频带范围内具有良好的频率稳定性，其最高压摆率为4 300 V/μs。OPA695的工作模型如图3所示。

图3　OPA695放大理论工作模型［3］

与电流反馈型放大器相比，电压反馈型放大器在10 MHz 以下、低增益和小信号条件下会拥有更好的直流精度和失真性能；而电流反馈放大器在10 MHz 以上、高增益和大信号调理中会表现出更好的带宽和失真度。因此在高速信号调理中，当信号频率大于10 MHz时，就要优先考虑选择电流反馈放大器［4］。

2.3不同的正/负相放大电路设计

正/负相电路图分别如图4和图5所示，它们的放大倍数基本一致，用于测试带宽的不同。

图4　正相比例放大电路图

图5　负相比例放大电路图

根据推荐电路及电阻阻值，我们可以分别计算出正/负相输入的放大倍数，正相输入放大倍数为

负相输入放大倍数为:

可以看出：正/负相输入电路的放大倍数均为12 dB左右。

2.4正/负相放大电路带宽不一致现象实测

测试条件：±5 V双电源供电、功率0 dB的10 MHz～800 MHz扫频信号源

测试仪器：安捷伦N9310A射频信号源和安捷伦N9320B频谱仪

输入输出采用北京古波50欧姆阻抗匹配的5 cm SMA半柔性电缆连接。

测试结果：正相输入时电路输出频谱图如图6和图7所示。

图6　频率200.6 MHz，放大倍数11.95 dB

图7　频率399.8 MHz，放大倍数8.88 dB

通带内放大倍数接近12 dB，符合放大器的放大倍数要求。正相放大的-3 dB带宽为380 MHz左右。由图6和图7可以看出，虽然按照设计目的的要求，此正相放大器的-3 dB带宽应在500 MHz左右，但由于压摆率的影响，使得芯片在工作于正相放大时的带宽受到影响，下降至380 MHz左右。

负相输入时电路输出频谱图如图8和图9所示。

图8　频率99.3 MHz，放大倍数11.94 dB

图9　频率501.2 MHz，放大倍数10.30 dB

通带内放大倍数接近12 dB，且放大倍数最大出现在300 MHz左右，为12.53 dB。图9中出现在220 MHz左右的尖峰，为扫频仪产生的信号波动，并不影响放大器性能。频率为500 MHz时放大倍数为10.30 dB，而-3dB通频带为550 MHz左右。

测试表明，正相比例放大电路不能设计出500 MHz带宽的放大电路，但负相比例放大电路可以满足要求。

3 分析与探讨

首先参考官方给出的OPA695芯片参数：

图10　OPA695芯片手册数据参数图［2］

对于图表参数，设计人员通常都会首先关注放大不同倍数时，RF、RG的取值以及对应的理论带宽，鲜有关注不同相输入时，压摆率对带宽造成的影响。

查阅压摆率（SR）定义，是指输入为阶跃信号或高频大信号时，闭环放大器的输出电压时间变化率的平均值。它与带宽的关系可以通过公式算出，其中BW为带宽，SR为压摆率，VPP为输入信号的峰峰值［5］。那么可以通过参数表中数据推算出当输入信号峰峰值为1 V，正相输入时的带宽

负相输入时的带宽

由此，理论上得出负相输入时带宽是正相的1.48倍。

对比章节2.4中的测试结果可知，负相输入时带宽与正相输入时带宽之比为

与理论推算的1.48倍带宽比接近，所以可以得出，正负相输入对于频带影响是比较大的，尤其是当输入信号为阶跃信号或高频大信号时。而压摆率是除了带宽之外的另一个较为重要的参数，在之后的放大器设计时应给予重视，而不能盲目迷信仿真软件。

4 结论

在日常设计放大器时，带宽是首先考虑的一个指标。然而，当输入信号为阶跃信号或高频大信号时，压摆率则成为一个值得重视的参数。通过此次对OPA695芯片设计的500 MHz宽带放大器的讨论，可以看到压摆率对频带的较大影响，并且可以通过对压摆率的计算推出相应的带宽。此方法具有一定的推广性，并且值得进行更加深入的研究。

致谢

本课题受到北京市大学生科学研究与创业行动计划项目、北方工业大学学生科技活动项目的资助与支持。

［1］华成英. 面向21世纪课程教材: 模拟电子技术基础（第4版）［M］.北京: 高等教育出版社， 2006.

［2］TI公司. OPA695 Datasheet. OPA695.pdf ［Z］.

［3］黄争， 李琰. 佚名. 运算放大器应用手册: 基础知识篇［M］. 北京:电子工业出版社， 2010.

［4］TI公司. 德州仪器半导体技术（上海）有限公司大学计划. 德州仪器高性能模拟器件高校应用指南［Z］. 2013， 08.

［5］黄智伟. 射频小信号放大器电路设计［M］. 陕西: 西安电子科技大学出版社， 2008.

冯廷亮（1995-），男，甘肃武威人，2013级在读本科生，参与实验室开放课题研究，研究方向：宽带模拟信号处理。

E-mail: 1120884684@qq.com。

Design and Discussion of 500 MHz Broadband Amplifier

Tingliang Feng， Ming Huang， Deren Xu， Xiang Ji， Jiajun Li（North China University of Technology， Beijing， 100144， China）

With increasing rate of mass communication， the requirement of signal's rate and bandwidth is higher and higher. This article mainly discusses the influences of current amplifiers' bandwidth caused by the differences of positive/negative phase amplifier circuit， and uses slew rate to explain the reason. The conclusion has the value to research and reference.

Positive/Negative Phase Amplifier Circuit； Slew Rate； Broadband

TP311

A

2095-8412 （2016） 04-691-04

工业技术创新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.029