高頻報告-可調(diào)增益寬帶放大器設(shè)計.doc

可變增益寬帶放大器設(shè)計1、應(yīng)用背景隨著社會發(fā)展，隨著計算機和互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及，多媒體信息的高速傳輸呈現(xiàn)飛速增長的趨勢，各類型放大器的運用領(lǐng)域不斷擴展。在當(dāng)今科技和通訊高速發(fā)展下，各種自動化、智能化儀器裝置對信號的要求越來越高，尤其在一些高精度的領(lǐng)域，對小信號的放大與處理要求更為嚴(yán)格。普通的運放存在著本身不可忽略的缺點，用普通的運放設(shè)計的放大器一般具有頻帶窄、噪聲系數(shù)大、低增益的特點。寬帶放大器可以對寬頻帶、小信號、交直流信號進行高增益的放大，廣泛應(yīng)用于軍事、光纖通信、電子戰(zhàn)設(shè)備及微波儀表和醫(yī)用設(shè)備等高科技領(lǐng)域上，具有很好的發(fā)展前景。研究和設(shè)計一款高增益、高精度、低噪聲、增益可控性高的寬帶放大器成為了人們的廣泛關(guān)注。1要同時滿足這些性能指標(biāo)，對電路設(shè)計提出了很高的要求，尤其是高頻PCB和電磁兼容的設(shè)計要求。2、設(shè)計目的要求所設(shè)計的高頻小信號放大器輸入/輸出電壓處于動態(tài)可變范圍的前提下，同時兼顧增益與帶寬的要求，使其具有較寬的頻帶，同時具備低噪聲、工作穩(wěn)定的特點。3、系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，可將系統(tǒng)分為以下幾部分模塊：前置放大電路、中間級增益可調(diào)放大電路、后級功率放大電路。為降低噪音，在多級放大電路中，應(yīng)注意第一級放大電路的降噪設(shè)計，可通過選用低噪聲芯片設(shè)計固定增益放大電路，并注意設(shè)計反饋電路。中間級增益可調(diào)放大電路可選擇可編程增益芯片，通過調(diào)整接入電阻調(diào)整增益。2輸出信號輸入信號固定增益放大電路可調(diào)增益放大電路功率放大電路圖表一 系統(tǒng)設(shè)計框圖4、方案選擇4.1芯片類型選擇4.1.1AD603 AD603是一種具有程控增益調(diào)整功能的芯片。它是美國ADI公司的專利產(chǎn)品，是一個低噪、90MHz帶寬增益可調(diào)的集成運放，它提供精確的引腳可選增益，90 MHz帶寬時增益范圍為-11 dB至+31 dB，9 MHz帶寬時增益范圍為+9 dB至+51 dB。用一個外部電阻便可獲得任何中間增益范圍。折合到輸入的噪聲譜密度僅為1.3 nV/Hz，采用推薦的5 V電源時功耗為125mW。兩片AD603級聯(lián)時，總增益的控制范圍為84.28dB，因此符合增益可調(diào)，帶寬較寬、低噪聲的設(shè)計要求。圖 1AD609引腳圖4.1.2AD811 AD811是一款寬帶電流反饋型運算放大器，-3 dB帶寬為120 MHz (G=+2)，帶寬達(dá)到35 MHz (0.1dB,G = +2)。低失真特性(帶寬最高可達(dá)10 MHz)和寬單位增益帶寬，使AD811非常適合用作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的ADC或DAC緩沖器。該放大器還具有1.9 nV/Hz的低電壓噪聲、20 pA/Hz的低電流噪聲以及出色的直流精度。但考慮到輸出信號幅值隨頻率增大而減小，系統(tǒng)需采用數(shù)控電位計X9C102 來實現(xiàn)可變增益放大，即依據(jù)輸出信號頻率的不同來改變數(shù)控電位計的值，以改變增益，實現(xiàn)增益可控的目的。圖 2AD811引腳圖4.1.3VCA820 VCA820是高增益調(diào)節(jié)范圍的寬帶可變增益放大器，具有40dB的高增益調(diào)節(jié)范圍，具有2.4nV/Hz的低輸入噪聲電壓，具有恒定帶寬與增益，可達(dá)到35MHz。溫度穩(wěn)定高，其增益與控制電壓呈線性關(guān)系，但是電路穩(wěn)定的線性特性很難控制，增益調(diào)節(jié)精度不高，芯片性價比不高。且市面較難購得此款芯片，因此不采用這款芯片。3圖 3VCA820引腳圖4.1.4OPA690 OPA690是寬帶電壓反饋運算放大器，常用于高頻小信號放大電路，單位增益穩(wěn)定為500MHz，小信號輸入時，當(dāng)放大倍數(shù)大于10時，高頻放大性能變差。常用于高速成像通道、ADC緩沖器、便攜式儀器等。4增益與帶寬關(guān)系如下：表 1OPA690增益和帶寬的關(guān)系增益帶寬（MHz）圖 4OPA690引腳圖1500322010304.1.5OPA820 OPA820是單位增益穩(wěn)定,低噪音電壓反饋運算放大器，有一個很低的輸入噪聲電壓和使用一個低的5.6mA供應(yīng)電流產(chǎn)生高輸出電流。在單位增益里, 當(dāng)峰值800MHz的帶寬。 在低功耗情況下，OPA820補充這一高速操作裝置具有優(yōu)良的直流精度。最壞的情況下的偏置電壓為750V和偏置電流為400nA，它們給脈沖放大器應(yīng)用程序一個優(yōu)秀的絕對直流精度。圖 5OPA820引腳圖 4.2固定增益放大電路方案選擇4.2.1使用分立元件搭建共基極放大器在三極管搭建的三類放大電路中，共基極放大器電壓增益大，電流增益小，輸出電阻小，適合于高頻工作。但由于設(shè)計要求為寬帶放大器，要求帶寬較高，故對于三極管型號的選擇以及電路的搭建布線等都要求較大，實行起來比較困難。4.2.2采用集成運算放大器集成芯片電路簡單，使用方便，性能穩(wěn)定，超高速集成運放放大電路OPA690 增益為63 dB，具有 1 800 V/s 的擺率。單位增益帶寬積為500 MHz，3 dB時帶寬為220 MHz，平坦度較好，符合相關(guān)要求，故選擇此方案。54.3功率放大器方案選擇4.3.1使用分立元件搭建功率放大器這種采用多級分立高頻的放大電路路缺點十分明顯，由于線路比較復(fù)雜，相互之間的影響比較大，難以精確地對參數(shù)進行調(diào)節(jié)，設(shè)計要求的帶寬難以保證，因此不采用此方案。4.3.2采用集成運算放大器THS3091驅(qū)動負(fù)載能力較大，是一個高電壓，低失真，電流反饋運算放大器，該方法電路簡單，增益可調(diào)，且可以通過運放并聯(lián)的方法增加其驅(qū)動負(fù)載的能力，此方法電路簡單，容易調(diào)試，故選擇此方案。4.4電源電路方案選擇該系統(tǒng)提供+5V單電源。若采用單電源VCC供電，則需將運放的輸入端的一端電壓抬高為VCC/2，這樣才能獲得最大幅值，但是這樣的設(shè)計方案會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，運放的工作電流會非常大，運放發(fā)熱量大，使系統(tǒng)難以保證穩(wěn)定工作。為此，應(yīng)采用雙電源供電。4.4.1方案一如圖6所示，采用兩只阻值一樣的大功率電阻，用電阻分壓的方式獲得正負(fù)電源，但是這種電路自身消耗大，阻值較大時帶負(fù)載的能力又太弱。圖 6電源設(shè)計方案一4.4.2方案二在方案一上加以改進，如圖7增加兩個三極管，加強了電路的帶負(fù)載能力，其輸出電流的大小取決于Q1和Q2的最大集電極電流ICM。通過反饋回路可使兩路負(fù)載不相同時也能保持正負(fù)電源基本對稱，故采用此方案。圖 7電源設(shè)計方案二4.5穩(wěn)壓電路方案選擇由于寬帶放大器的頻率非常高，對電源的要求也十分苛刻，必須保證能提供低紋波的電源。因此需要設(shè)計穩(wěn)壓電路。4.5.1采用7905，7805芯片設(shè)計正直流穩(wěn)壓電源此系列芯片最大輸出電流1.5A，能滿足系統(tǒng)的電源要求，但是該系列穩(wěn)壓芯片的輸出紋波比較大。4.5.2采用LM317和LM337和四輸出變壓器組成兩組直流可調(diào)穩(wěn)壓電源此系統(tǒng)調(diào)壓范圍在1.26-37V之間，紋波可低于4mv，最大輸出電流為1.5A，帶負(fù)載能力強?？蓾M足設(shè)計要求，故采用此方案。5、理論分析與參數(shù)計算5.1各級增益分配本系統(tǒng)以可控增益放大器AD603為核心，兩級級聯(lián)其增益調(diào)節(jié)范圍理論值為-20-60dB，其他各單元電路都是根據(jù)AD603性能進行設(shè)計。由于中間級采用的可控增益放大器對輸入、輸出電壓均有所限制，所以必須合理分配各級放大器的放大倍數(shù)。由于單級AD603在90M輸出模式下，其增益變化范圍為-11dB到30dB，因此系統(tǒng)采用兩片AD603做增益可控部分，理論增益為-22dB-60dB，所以前級放大和后級功放總的固定增益為22dB，這樣系統(tǒng)的總增益為0-82dB。由于輸入和輸出部分總增益為22dB，為留一定余地，選擇將輸入、輸出部分總增益設(shè)為20dB,考慮到AD603的輸出電壓有所限制，且幅值不宜過大，因此第一級放大級采用OPA690構(gòu)成增益為兩倍的放大器，后級功率放大級采用具有高驅(qū)動能力的THS3091構(gòu)成，其放大倍數(shù)為五倍。5.2頻帶內(nèi)增益起伏的控制為了更好地保障系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，需要使用高穩(wěn)定性的寬帶放大器，OPA690單位增益穩(wěn)定為500MHz，THS3091在正常供電情況下，在65M內(nèi)有低于0.1dB的增益起伏，因此滿足要求。5.3阻抗匹配 阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負(fù)載之間的一種合適的搭配方式。當(dāng)信號的頻率很高時，則信號的波長就很短，當(dāng)波長短得跟傳輸線長度可以比擬時，反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不相等（即不匹配）時，在負(fù)載端就會產(chǎn)生反射。當(dāng)阻抗不匹配時，便會導(dǎo)致放大器不工作甚至損壞?？梢酝ㄟ^在兩級之間接入LC型電路，構(gòu)成匹配網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)阻抗匹配。圖 8匹配網(wǎng)絡(luò)5.4放大器提高穩(wěn)定性措施本系統(tǒng)為寬帶放大器，頻率很高，并且放大倍數(shù)較大，為不影響寬帶，采用多級級聯(lián)，但是系統(tǒng)穩(wěn)定性容易受到影響并且容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象。為了提高放大器的穩(wěn)定性，必須要將供電電壓濾波，否則容易混入高頻噪聲，這里我們通過屏蔽盒進一步對外界影響進行鞏固。系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要取決于系統(tǒng)的相位裕量，所以必須要留有適當(dāng)?shù)南辔辉Ａ?。在本系統(tǒng)中，將高頻信號部分全部采用雙面板印制，并且采用銅板大面積接地，減小接地回路，電容電阻全部采用貼片封裝，減小元器件的影響。6 6、電路設(shè)計6.1前級固定增益放大電路圖 9前級固定增益放大電路6.2中間級增益可調(diào)放大電路圖 10中間級增益可調(diào)放大電路6.3后級功率放大電路圖 11后級功率放大電路7、電路仿真輸入為5MHz，振幅為1mv的正弦波。7.1前級固定增益放大電路 第一級放大倍數(shù)約為2-3倍，基本符合預(yù)期結(jié)果。圖 12前級固定增益放大電路仿真7.2中間級可調(diào)增益放大電路7.2.1當(dāng)頻率為5MHz時中間級第一級增益為48dB，兩級級聯(lián)增益為74dB，但波形有所失真。圖 135MHz中間級前級仿真圖 145MHz中間級后級仿真7.2.2當(dāng)頻率為50MHz時中間級第一級增益為12dB，兩級級聯(lián)增益為45dB，增益不滿足預(yù)期結(jié)果。圖 15 50MHz中間級前級仿真圖 16 50MHz中間級后級仿真7.2.3當(dāng)頻率為20MHz時，兩級級聯(lián)增益為60dB，當(dāng)頻率為30MHz時，兩級級聯(lián)增益為52dB，說明隨頻率增加增益減小，說明有效帶寬較小。圖 17 20MHz兩級級聯(lián)仿真圖 18 30MHz兩級級聯(lián)仿真7.3后級功率放大電路7.3.1經(jīng)過后級功率放大后，波形失真嚴(yán)重，增益為76dB。圖 19 總電路波形仿真7.3.2若函數(shù)發(fā)生器直接接后級功率放大電路，波形沒有失真，增益為13dB，基本符合預(yù)期要求。圖 20后級功率放大電路仿真8、 結(jié)果分析OPA690放大效果較好，可通過微調(diào)電阻調(diào)整其放大倍數(shù)；單級AD603放大效果較好，但兩級級聯(lián)后，后級受前級影響，會導(dǎo)致結(jié)果有所偏差，主要表現(xiàn)在波形失真與增益達(dá)不到預(yù)期結(jié)果。而后級功率放大電路單獨運行無誤，但在整個電路中卻效果不佳，分析原因如下：8.1系統(tǒng)穩(wěn)定性不佳，導(dǎo)致波形失真。8.2 AD603輸出波形不夠理想導(dǎo)致放大后失真愈發(fā)顯著。8.3電路參數(shù)設(shè)置仍存在缺陷，導(dǎo)致放大器工作不夠理想。8.4缺少完備的抗干擾組成，導(dǎo)致前后級之間干擾嚴(yán)重，影響結(jié)果。8.5缺少濾波結(jié)構(gòu)，混入雜波，影響波形。9、總結(jié)與思考 本次設(shè)計報告主要傾向于對可調(diào)增益寬帶放大器的設(shè)計，在電路選擇與芯片選擇方面，主要考慮芯片的使用性能及使用頻率，通過選擇合適的電路與芯片，簡化電路設(shè)計方案，有助于后續(xù)設(shè)計步驟的實現(xiàn)。通過此次電路設(shè)計，學(xué)習(xí)了高頻放大電路的設(shè)計以及可調(diào)增益放大電路的設(shè)計，并了解了一些高頻寬帶運算放大器。但由于準(zhǔn)備不夠充分，電路設(shè)計仍存在一些漏洞，參數(shù)設(shè)置不夠合理，導(dǎo)致最后結(jié)果不夠理想，后續(xù)應(yīng)繼續(xù)學(xué)習(xí)探索，改進電路結(jié)構(gòu)。10、參考文獻(xiàn)1曾繁政，黃河.基于AD603的可控直流寬帶放大器J.大眾科技，2010(4).2B Hu，X Yu ，L He ，W Lim.Analysis and Design of Wideband Low Noise Amplifier With Digital Cont