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1、可变增益宽带放大器设计1、应用背景随着社会发展，随着计算机和互联网的迅速普及，多媒体信息的高速传输呈现飞速增长的趋势，各类型放大器的运用领域不断扩展。在当今科技和通讯高速发展下，各种自动化、智能化仪器装置对信号的要求越来越高，尤其在一些高精度的领域，对小信号的放大与处理要求更为严格。普通的运放存在着本身不可忽略的缺点，用普通的运放设计的放大器一般具有频带窄、噪声系数大、低增益的特点。宽带放大器可以对宽频带、小信号、交直流信号进行高增益的放大，广泛应用于军事、光纤通信、电子战设备及微波仪表和医用设备等高科技领域上，具有很好的发展前景。研究和设计一款高增益、高精度、低噪声、增益可控性高的宽带放大器
2、成为了人们的广泛关注。1要同时满足这些性能指标，对电路设计提出了很高的要求，尤其是高频PCB和电磁兼容的设计要求。2、设计目的要求所设计的高频小信号放大器输入/输出电压处于动态可变范围的前提下，同时兼顾增益与带宽的要求，使其具有较宽的频带，同时具备低噪声、工作稳定的特点。3、系统设计根据设计要求，可将系统分为以下几部分模块：前置放大电路、中间级增益可调放大电路、后级功率放大电路。为降低噪音，在多级放大电路中，应注意第一级放大电路的降噪设计，可通过选用低噪声芯片设计固定增益放大电路，并注意设计反馈电路。中间级增益可调放大电路可选择可编程增益芯片，通过调整接入电阻调整增益。2输出信号输入信号固定增
3、益放大电路可调增益放大电路功率放大电路图表一 系统设计框图4、方案选择4.1芯片类型选择4.1.1AD603 AD603是一种具有程控增益调整功能的芯片。它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放，它提供精确的引脚可选增益，90 MHz带宽时增益范围为-11 dB至+31 dB，9 MHz带宽时增益范围为+9 dB至+51 dB。用一个外部电阻便可获得任何中间增益范围。折合到输入的噪声谱密度仅为1.3 nV/Hz，采用推荐的5 V电源时功耗为125mW。两片AD603级联时，总增益的控制范围为84.28dB，因此符合增益可调，带宽较宽、低噪声的设计要求。图 1A
4、D609引脚图4.1.2AD811 AD811是一款宽带电流反馈型运算放大器，-3 dB带宽为120 MHz (G=+2)，带宽达到35 MHz (0.1dB,G = +2)。低失真特性(带宽最高可达10 MHz)和宽单位增益带宽，使AD811非常适合用作数据采集系统中的ADC或DAC缓冲器。该放大器还具有1.9 nV/Hz的低电压噪声、20 pA/Hz的低电流噪声以及出色的直流精度。但考虑到输出信号幅值随频率增大而减小，系统需采用数控电位计X9C102 来实现可变增益放大，即依据输出信号频率的不同来改变数控电位计的值，以改变增益，实现增益可控的目的。图 2AD811引脚图4.1.3VCA82
5、0 VCA820是高增益调节范围的宽带可变增益放大器，具有40dB的高增益调节范围，具有2.4nV/Hz的低输入噪声电压，具有恒定带宽与增益，可达到35MHz。温度稳定高，其增益与控制电压呈线性关系，但是电路稳定的线性特性很难控制，增益调节精度不高，芯片性价比不高。且市面较难购得此款芯片，因此不采用这款芯片。3图 3VCA820引脚图4.1.4OPA690 OPA690是宽带电压反馈运算放大器，常用于高频小信号放大电路，单位增益稳定为500MHz，小信号输入时，当放大倍数大于10时，高频放大性能变差。常用于高速成像通道、ADC缓冲器、便携式仪器等。4增益与带宽关系如下：表 1OPA690增益和
6、带宽的关系增益带宽（MHz）图 4OPA690引脚图1500322010304.1.5OPA820 OPA820是单位增益稳定,低噪音电压反馈运算放大器，有一个很低的输入噪声电压和使用一个低的5.6mA供应电流产生高输出电流。在单位增益里, 当峰值800MHz的带宽。 在低功耗情况下，OPA820补充这一高速操作装置具有优良的直流精度。最坏的情况下的偏置电压为750V和偏置电流为400nA，它们给脉冲放大器应用程序一个优秀的绝对直流精度。图 5OPA820引脚图 4.2固定增益放大电路方案选择4.2.1使用分立元件搭建共基极放大器在三极管搭建的三类放大电路中，共基极放大器电压增益大，电流增益小
7、，输出电阻小，适合于高频工作。但由于设计要求为宽带放大器，要求带宽较高，故对于三极管型号的选择以及电路的搭建布线等都要求较大，实行起来比较困难。4.2.2采用集成运算放大器集成芯片电路简单，使用方便，性能稳定，超高速集成运放放大电路OPA690 增益为63 dB，具有 1 800 V/s 的摆率。单位增益带宽积为500 MHz，3 dB时带宽为220 MHz，平坦度较好，符合相关要求，故选择此方案。54.3功率放大器方案选择4.3.1使用分立元件搭建功率放大器这种采用多级分立高频的放大电路路缺点十分明显，由于线路比较复杂，相互之间的影响比较大，难以精确地对参数进行调节，设计要求的带宽难以保证，
8、因此不采用此方案。4.3.2采用集成运算放大器THS3091驱动负载能力较大，是一个高电压，低失真，电流反馈运算放大器，该方法电路简单，增益可调，且可以通过运放并联的方法增加其驱动负载的能力，此方法电路简单，容易调试，故选择此方案。4.4电源电路方案选择该系统提供+5V单电源。若采用单电源VCC供电，则需将运放的输入端的一端电压抬高为VCC/2，这样才能获得最大幅值，但是这样的设计方案会增加系统的复杂性，运放的工作电流会非常大，运放发热量大，使系统难以保证稳定工作。为此，应采用双电源供电。4.4.1方案一如图6所示，采用两只阻值一样的大功率电阻，用电阻分压的方式获得正负电源，但是这种电路自身消
9、耗大，阻值较大时带负载的能力又太弱。图 6电源设计方案一4.4.2方案二在方案一上加以改进，如图7增加两个三极管，加强了电路的带负载能力，其输出电流的大小取决于Q1和Q2的最大集电极电流ICM。通过反馈回路可使两路负载不相同时也能保持正负电源基本对称，故采用此方案。图 7电源设计方案二4.5稳压电路方案选择由于宽带放大器的频率非常高，对电源的要求也十分苛刻，必须保证能提供低纹波的电源。因此需要设计稳压电路。4.5.1采用7905，7805芯片设计正直流稳压电源此系列芯片最大输出电流1.5A，能满足系统的电源要求，但是该系列稳压芯片的输出纹波比较大。4.5.2采用LM317和LM337和四输出变
10、压器组成两组直流可调稳压电源此系统调压范围在1.26-37V之间，纹波可低于4mv，最大输出电流为1.5A，带负载能力强。可满足设计要求，故采用此方案。5、理论分析与参数计算5.1各级增益分配本系统以可控增益放大器AD603为核心，两级级联其增益调节范围理论值为-20-60dB，其他各单元电路都是根据AD603性能进行设计。由于中间级采用的可控增益放大器对输入、输出电压均有所限制，所以必须合理分配各级放大器的放大倍数。由于单级AD603在90M输出模式下，其增益变化范围为-11dB到30dB，因此系统采用两片AD603做增益可控部分，理论增益为-22dB-60dB，所以前级放大和后级功放总的固
11、定增益为22dB，这样系统的总增益为0-82dB。由于输入和输出部分总增益为22dB，为留一定余地，选择将输入、输出部分总增益设为20dB,考虑到AD603的输出电压有所限制，且幅值不宜过大，因此第一级放大级采用OPA690构成增益为两倍的放大器，后级功率放大级采用具有高驱动能力的THS3091构成，其放大倍数为五倍。5.2频带内增益起伏的控制为了更好地保障系统工作的稳定性，需要使用高稳定性的宽带放大器，OPA690单位增益稳定为500MHz，THS3091在正常供电情况下，在65M内有低于0.1dB的增益起伏，因此满足要求。5.3阻抗匹配 阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭
12、配方式。当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等（即不匹配）时，在负载端就会产生反射。当阻抗不匹配时，便会导致放大器不工作甚至损坏。可以通过在两级之间接入LC型电路，构成匹配网络，以实现阻抗匹配。图 8匹配网络5.4放大器提高稳定性措施本系统为宽带放大器，频率很高，并且放大倍数较大，为不影响宽带，采用多级级联，但是系统稳定性容易受到影响并且容易产生自激现象。为了提高放大器的稳定性，必须要将供电电压滤波，否则容易混入高频噪声，这里我们通过屏蔽盒进一步对外界影响进行巩固。系统的稳定性主
13、要取决于系统的相位裕量，所以必须要留有适当的相位裕量。在本系统中，将高频信号部分全部采用双面板印制，并且采用铜板大面积接地，减小接地回路，电容电阻全部采用贴片封装，减小元器件的影响。6 6、电路设计6.1前级固定增益放大电路图 9前级固定增益放大电路6.2中间级增益可调放大电路图 10中间级增益可调放大电路6.3后级功率放大电路图 11后级功率放大电路7、电路仿真输入为5MHz，振幅为1mv的正弦波。7.1前级固定增益放大电路 第一级放大倍数约为2-3倍，基本符合预期结果。图 12前级固定增益放大电路仿真7.2中间级可调增益放大电路7.2.1当频率为5MHz时中间级第一级增益为48dB，两级级
14、联增益为74dB，但波形有所失真。图 135MHz中间级前级仿真图 145MHz中间级后级仿真7.2.2当频率为50MHz时中间级第一级增益为12dB，两级级联增益为45dB，增益不满足预期结果。图 15 50MHz中间级前级仿真图 16 50MHz中间级后级仿真7.2.3当频率为20MHz时，两级级联增益为60dB，当频率为30MHz时，两级级联增益为52dB，说明随频率增加增益减小，说明有效带宽较小。图 17 20MHz两级级联仿真图 18 30MHz两级级联仿真7.3后级功率放大电路7.3.1经过后级功率放大后，波形失真严重，增益为76dB。图 19 总电路波形仿真7.3.2若函数发生器
15、直接接后级功率放大电路，波形没有失真，增益为13dB，基本符合预期要求。图 20后级功率放大电路仿真8、 结果分析OPA690放大效果较好，可通过微调电阻调整其放大倍数；单级AD603放大效果较好，但两级级联后，后级受前级影响，会导致结果有所偏差，主要表现在波形失真与增益达不到预期结果。而后级功率放大电路单独运行无误，但在整个电路中却效果不佳，分析原因如下：8.1系统稳定性不佳，导致波形失真。8.2 AD603输出波形不够理想导致放大后失真愈发显著。8.3电路参数设置仍存在缺陷，导致放大器工作不够理想。8.4缺少完备的抗干扰组成，导致前后级之间干扰严重，影响结果。8.5缺少滤波结构，混入杂波，影响波形。9、总结与思考 本次设计报告主要倾向于对可调增益宽带放大器的设计，在电路选择与芯片选择方面，主要考虑芯片的使用性能及使用频率，通过选择合适的电路与芯片，简化电路设计方案，有助于后续设计步骤的实现。通过此次电路设计，学习了高频放大电路的设计以及可调增益放大电路的
