高頻寬帶放大器的設(shè)計(jì)

1、jiu jiang university 畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文（設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì)）題 目 高頻寬帶放大器的設(shè)計(jì) 英文題目 design of a wide-band frequency amplifier 院 系 電子工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 通信工程 姓 名 陳軍星 年 級(jí) 二零零三級(jí) 指導(dǎo)教師 樊紅社 二零零七年六月 ii畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 選題報(bào)告選題報(bào)告院（系）：電子工程學(xué)院學(xué) 生 姓 名陳軍星指 導(dǎo) 教 師樊紅社論文（設(shè)計(jì)）題目高頻寬帶放大器的設(shè)計(jì)題目來(lái)源及意義本題來(lái)源于全國(guó)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，低噪聲寬帶放大器。隨著現(xiàn)代通訊工作頻帶的總體上移, 射頻放大器將成為模擬放大器的主流。由系統(tǒng)天

2、線(xiàn)饋入的無(wú)線(xiàn)信號(hào), 在處理之前必須進(jìn)行信號(hào)放大。低噪聲寬帶放大器(lna ) 就是其中非常重要的部件。論文題目研究領(lǐng)域狀況國(guó)內(nèi)從事硅工藝低噪聲放大器開(kāi)發(fā)的單位主要以中電科技集團(tuán)公司第二十四研究所和航天771 所為主。產(chǎn)品帶寬一般在500mhz 范圍以?xún)?nèi)。近年來(lái),已研制出帶寬810 ghz、gp 10 db 的lna 樣品；開(kāi)發(fā)出帶寬116118 ghz、gp2030db 的lna 產(chǎn)品?？偟内厔?shì)是向著低噪聲、高頻寬帶、多功能的方向發(fā)展。內(nèi)容提要或?qū)嵤┓桨笇?shí)施方案為：用高頻特性好的運(yùn)放及其外圍電路組成電壓負(fù)反饋寬帶放大器，框圖如下所示：iii主要觀(guān)點(diǎn)或主要技術(shù)指標(biāo)1放大器在3db通頻帶滿(mǎn)足10k

3、hz4mhz的帶寬；2放大器在10khz4mhz頻帶內(nèi)增益起伏1db，具有平滑的頻率特性；3輸出信號(hào)具有較有較好的穩(wěn)定性；4在通頻帶范圍內(nèi)其增益具有多級(jí)可調(diào)的功能。主要參考文獻(xiàn)1 劉勇.寬帶功率放大器技術(shù)性能研究.無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù),2002 年,第 3 期:42-462 王國(guó)偉.寬帶放大器的設(shè)計(jì).甘肅科技縱橫,2004 年,第 5 期:59-603 王正齊.寬帶放大器.電子世界,2004 年,第 1 期:35-384 趙建領(lǐng).protel 電路設(shè)計(jì)與制版寶典,北京:電子工業(yè)出版社,2007.1.p218-2195 袁維義.電工技能實(shí)訓(xùn),北京:電子工業(yè)出版社,2003.11.p36-40i摘摘 要

4、要設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)寬帶放大器，該放大器由高精度，寬頻帶運(yùn)放op37組成，其高頻特性好，轉(zhuǎn)換速度為。由于op37的頻帶寬度可達(dá)17s63mhz，通過(guò)對(duì)外電路元件參數(shù)選擇，可使放大器3db通頻帶滿(mǎn)足10khz4mhz的設(shè)計(jì)要求，在反饋網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)適當(dāng)大小的電容，消除高頻脈沖尖峰，可使放大器在10khz4mhz頻帶內(nèi)增益起伏20dbpv噪聲系數(shù)(11000mhz, rg=rl=60時(shí)): f5db駐波比(11000mhz, rg=rl=60時(shí)): =130maau在高頻狀態(tài)下工作的晶體管有以下特點(diǎn)：由于制造工藝的原因，在高頻工作狀態(tài)下晶體管的值不能做得很高，工作頻率每增加一倍，值就減少6db。在高頻狀態(tài)

5、下管子的引線(xiàn)電感不可忽略，它對(duì)放大器工作頻段的高端增益有嚴(yán)重的影響。晶體管的輸出電容（結(jié)電容）在高頻狀態(tài)下也是一個(gè)不可忽略的參數(shù)，它對(duì)放大器工作頻段的高端增益也具有嚴(yán)重的影響。此電路增益步進(jìn)控制難以實(shí)現(xiàn)，高頻時(shí)頻率的穩(wěn)定性不好，高頗管bft65不容易買(mǎi)到，而且電感線(xiàn)圈l1和l2在高頻條件下比較難調(diào)試。方案三：用高頻特性好的運(yùn)放op37及其外圍電路組成電壓負(fù)反饋寬帶放大器，如圖1-2所示。電路中，通過(guò)多刀開(kāi)關(guān)s，選擇反饋電阻，以實(shí)現(xiàn)增益值多級(jí)可調(diào)，在每個(gè)反饋電阻中并聯(lián)補(bǔ)償電容，用于清除高頻脈沖尖峰，從而獲得在整個(gè)頻帶內(nèi)增益起伏小于1db的平滑的頻率特性。該電路輸入阻抗大于1千歐，單端輸入，單端輸

6、出，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。4圖1-2經(jīng)比較，方案三滿(mǎn)足題目設(shè)計(jì)要求，電路又不太繁瑣，成本又不高，所以采用該方案。1.2.2 穩(wěn)壓電源方案一：采用分離元件的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，其框圖如圖1-3所示。圖1-3 該電路復(fù)雜，且電源的穩(wěn)定度不夠高，制作費(fèi)材，費(fèi)時(shí)。方案二：用三端穩(wěn)壓器lm7815，lm7915分別產(chǎn)生穩(wěn)定的15v電源，如圖2-1所示。用78/79系列三端穩(wěn)壓ic來(lái)組成的穩(wěn)壓電源所需外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該電源電路電源對(duì)稱(chēng)性好，穩(wěn)定度高，可以作為寬帶放大器的電源。通過(guò)比較，方案二電路簡(jiǎn)單，電源穩(wěn)定，所以本設(shè)計(jì)采用方案二。5第二章第二

7、章 主要電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算主要電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算為使放大器系統(tǒng)裝置能夠具有更好的實(shí)用性，并且具有更高的性能，我們對(duì)該系統(tǒng)的硬件進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)按功能來(lái)分，可分為兩個(gè)部分。其中 op37 是整個(gè)電路的核心芯片，通過(guò)對(duì)不同反饋電阻的選擇，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)放大器增益多級(jí)可調(diào)。系統(tǒng)的另一部分為電源部分。2.1 電源電路的設(shè)計(jì)對(duì)于高頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，輸入電源的電壓波紋會(huì)影響到信號(hào)的輸出效果。鑒于高頻寬帶放大器對(duì)電源的高要求，所以需要為放大器配置一個(gè)電源電路，使其能為高頻寬帶放大提供較穩(wěn)定的電壓。電源設(shè)計(jì)電路如圖2-1所示。圖2-1該電路由三端穩(wěn)壓器lm7815、lm7915組成。從輸入端輸入15v由交流

8、電轉(zhuǎn)換來(lái)的直流電源，經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)壓器lm7815、lm7915進(jìn)一步穩(wěn)壓，分別產(chǎn)生穩(wěn)定的15v電源，如圖2-1所示。該電源電路電源對(duì)稱(chēng)性好，穩(wěn)定度高，可以作為寬帶放大器的電源。直流穩(wěn)壓電源，設(shè)計(jì)要求當(dāng)單相220v交流電壓供電時(shí)，交流電壓變化范圍為-10+10仍能正常工作，計(jì)算濾波電容值時(shí)，應(yīng)考慮整流二極管、lm7815、lm7915的最小壓降。du輸出15v時(shí)，設(shè)計(jì)輸出電流至少達(dá)到500ma。 在0.01s內(nèi)電壓變化為 max2 1 15%0.7154.5duuuv6 0.5 0.014.51111.1cqui tuf 其中，u18.75v（變壓器輸出交流電壓），0.7v為二極管壓降，為7815

9、、7915du的最小壓降。一般三端集成穩(wěn)壓電路的最小輸入、輸出電壓差約為2v，否則不能輸出穩(wěn)定的電壓，一般應(yīng)使電壓差保持在4v5v，即經(jīng)變壓器變壓，二極管整流，電容器濾波后的電壓應(yīng)比穩(wěn)壓值高一些。設(shè)計(jì)取c3300，足以滿(mǎn)足需要。f另外，為了消除高頻雜散信號(hào)對(duì)電源的干擾，在7815(7915)的輸入端，輸出端各并聯(lián)0.1的電容。f2.2 寬帶放大器的設(shè)計(jì)2.2.1 選擇運(yùn)算放大器本設(shè)計(jì)要求寬帶放大器的頻帶寬度為10khz4mhz，為了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，必須選擇特征頻率高的運(yùn)放。op37集成運(yùn)放的參數(shù)如下：low noise，80n(0.1hz to 10hz) 3nv/ 1 p pvhzkhzlow

10、 drift，0.2/vchigh speed， slow rate17/vs63mhz gain bandwidthlow input offset voltage，10 vexcellent cmrr，126db(common voltage l1v)high openloop gain，1.8 millionavailable in die form由此可知該運(yùn)放op37具有精度高、頻帶寬、高頻特性好及轉(zhuǎn)換速度快等特點(diǎn)， 符合電路的要求。2.2.2 電路圖及元件選擇由op37組成的寬帶放大器，如圖2-2所示。圖2-2圖2-2中，c4、cl1、c5、c12組成頻率補(bǔ)償電路。c4、c11、c

11、5、c12的大小由低頻截止頻率決定，其容量：1 2cfcr若取，2fckhz1rk7則1 280cfcrf所以電容c取100的鋁電解電容，由于電容c的加入會(huì)使高頻阻抗上升，可在其兩f端各并聯(lián)一個(gè)0.1的陶瓷電容對(duì)阻抗進(jìn)行修正。fw1為的調(diào)零電阻。10kc17、c18為10的電源退耦電容，使運(yùn)放電源穩(wěn)定。fr1r6為電壓負(fù)反饋電阻，通過(guò)開(kāi)光s1選擇r1r6可改變放大器的增益。r10為100限流電阻。2.2.3 輸入電阻，輸出電阻及增益圖2-2所示電路的輸入電阻為：7771.2inrrrirrirk為op37輸入電阻,當(dāng)輸出對(duì)地短路時(shí)，運(yùn)放通過(guò)r10接地，此時(shí)放大器的輸出對(duì)地inr為100，正常工

12、作時(shí)，輸出電阻為：。100outrri放大器的增益為： ( =l，2， ，6)9uari r i當(dāng)時(shí)，。96rik96 196ua 倍當(dāng)時(shí)，。48rik48 148ua 倍當(dāng)時(shí)，。24rik24 124ua 倍當(dāng)時(shí)，。12rik12 112ua 倍當(dāng)時(shí)，。6rik6 16ua 倍當(dāng)時(shí)，。3rik3 13ua 倍8第三章第三章 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試結(jié)果系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試結(jié)果前面我們分析了系統(tǒng)電路的工作原理及相關(guān)的公式計(jì)算，現(xiàn)在我們對(duì)系統(tǒng)實(shí)物電路進(jìn)行檢測(cè)來(lái)分析電路的工作特性。3.1 測(cè)試方法按照電路原理圖，正確連接電路電源線(xiàn)，+15v 接電源的+15v，-15v 接電源的-15v，gnd 接 gnd，接上電

13、源后通電。高頻信號(hào)的輸出端接信號(hào)線(xiàn)的輸入端，用示波器測(cè)輸入信號(hào)的峰峰值，記為.測(cè)iu輸出信號(hào)的峰峰值記為。則放大器的放大倍數(shù)為。ouuoiauu調(diào)節(jié)調(diào)零電阻 w1 使放大器處于正常工作狀態(tài)。3.2 輸入阻抗由圖2-2可知，放大器輸入端對(duì)地有1.2的硬匹配電阻，由于運(yùn)放的輸入阻抗遠(yuǎn)k大于1.2所以信號(hào)輸入時(shí)能保證放大器的輸入阻抗大于1。kk3.3 通頻帶放大器的輸出電阻為100，反饋電阻為3，輸入電壓=8mv的正弦波。當(dāng)改kppv變輸入信號(hào)頻率時(shí)，測(cè)得放大器的輸出幅頻特性如表3-1所示。inf表3-1 放大器的幅頻特性由表3-1可以看出，放大器的上限頻率為2.5mhz左右。3.4 增益的步進(jìn)值輸

14、入頻率= 10khz，=8mv的正弦信號(hào)。手動(dòng)改變換檔開(kāi)關(guān)s1的位置，使infppv輸入頻率（khz）inf1020506070輸出電壓（mv）ppv2121212121輸入頻率（mhz）inf0.080.30.511.5輸出電壓(mv)ppv2121212020輸入頻率（mhz）inf1.822.533.5輸出電壓(mv)ppv1912.51194.59放大器接不同的負(fù)反饋電阻，得表3-2所示的增益步進(jìn)值。表3-2 增益的步進(jìn)值增益步進(jìn)值1234反饋電阻（）k3124896預(yù)置增益（倍）82.5預(yù)置增益(db)8.314.125.938.3由表 3-2 可得，放大器的增益

15、范圍為 2.6 倍82.5 倍，約 8.3db38.3db。3.5 最大輸出電壓輸入頻率=10khz，輸入電壓=8mv的正弦信號(hào)，測(cè)得放大器在此條件下輸出電infppv壓峰峰值=0.66v。maxov3.6 最大增益由最大輸出電壓結(jié)果得，放大器的最大電壓增益為max660882.5()38.3voiavvmvmvdb倍3.7 測(cè)試分析由實(shí)驗(yàn)測(cè)出的數(shù)據(jù)與理論的數(shù)據(jù)存在一定的誤差，經(jīng)分析產(chǎn)生誤差的因素主要有以下幾點(diǎn)：（1） 電路中的實(shí)際電阻阻值與理論計(jì)算的電阻阻值存在一定的誤差；（2） 由于試驗(yàn)場(chǎng)地有許多電腦和儀器，使用開(kāi)關(guān)電源，電磁噪聲很大；（3） 由于電源是由交流電轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的，輸入電源被反饋到

16、輸入信號(hào)端使得輸出的信號(hào)有微小的波動(dòng)；（4） 元件分布影響信號(hào)的輸出特性。此電路具有六級(jí)可調(diào)的功能，由于受開(kāi)關(guān)的限制，此設(shè)計(jì)只做到四級(jí)可調(diào)。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，當(dāng)反饋電阻為3，輸入電壓=8mv的正弦波時(shí)，放大器的上限頻率可達(dá)kppv3mhz。調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)選擇不同的反饋電阻可得放大器的放大總數(shù)范圍為約3倍83倍，轉(zhuǎn)換成增益為8.3db38.3db。輸入頻率=10khz，輸入電壓峰峰值=8mv的正弦信號(hào)時(shí)infppv的最大輸出電壓峰峰值為0.66v。 從電路的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，該放大器在3mhz內(nèi)時(shí)具有良好的增益性能。由于作者的水平有限，該電路的設(shè)計(jì)存在一定程度的缺陷，該放大器的帶寬有限。10第四章第四章 抗

17、干擾措施抗干擾措施系統(tǒng)總的增益為2db40db，因此抗干擾措施必須要做得很好才能避免自激和減少噪聲。我們采用下述方法減少干擾，避免自激。4.1 電源線(xiàn)設(shè)計(jì)根據(jù)印制電路板電流的大小，盡量加粗電源線(xiàn)寬度，減少環(huán)路電阻。同時(shí)使電源線(xiàn)、地線(xiàn)的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。4.2 地線(xiàn)的設(shè)計(jì)高頻電路中采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線(xiàn)就短而粗，接地線(xiàn)應(yīng)在 2mm3mm 以上。高頻元器件周?chē)M量用柵格狀的大面積銅箔。接地線(xiàn)構(gòu)成閉環(huán)路，可吸收高頻信號(hào)減少噪聲。4.3 耦合電容配置所有信號(hào)耦合用電解電容兩端并接高頻瓷片電容以避免高頻增益下降。電容引線(xiàn)不能太長(zhǎng)，尤其是高頻旁電容不能有引線(xiàn)。4.4 元件

18、之間的連線(xiàn)強(qiáng)電流引線(xiàn)應(yīng)盡可能寬些，以降低布線(xiàn)電阻及其電壓降，也可減小因寄生耦合面產(chǎn)生的自激。在對(duì)進(jìn)出接線(xiàn)端布置時(shí)，使相關(guān)聯(lián)的兩引線(xiàn)端的距離不太大，一般為 0.20.3in較合適。進(jìn)出接線(xiàn)端盡可能集中在 12 個(gè)側(cè)面，不要過(guò)于分散。在保證電路性能要求的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求合理走線(xiàn)，并按一定順序要求走線(xiàn)，力求直觀(guān)，便于安裝和檢修。11附錄一附錄一 op37op37的芯片管腳圖及其原理圖的芯片管腳圖及其原理圖圖一 op37gp 芯片管腳圖圖二 op37 芯片工作原理簡(jiǎn)圖12附錄二附錄二 系統(tǒng)硬件系統(tǒng)硬件pcbpcb原理圖原理圖85234671op37gpu11kr720kr101.2kr9600r8

19、96kr648kr324kr112kr26kr43kr51pfc51pfc31pfc11pfc21pfc41pfc60.1ufc90.01fc100.1ufc110.01ufc120.01ufc80.01ufc7in12out3gndlm7815ctu2in21out3gndlm7915ctu30.1ufc130.1ufc140.01ufc150.1ufc170.01ufc180.1ufc161234header 4hjp312header 2jp112jp2sw-6ways1gndgndgndgndgndgndgnd100ufc21100ufc223300ufcap pol1c25100uf

20、cap pol1c2647ufcap pol1c2347ufcap pol1c243300ufcap pol1c19100ufcap pol1c20gnd+15v-15v10kr1113附錄三附錄三 系統(tǒng)硬件系統(tǒng)硬件pcbpcb圖圖14附錄四附錄四 系統(tǒng)硬件系統(tǒng)硬件3d3d效果圖效果圖圖 1 pcb 板 3d 效果圖15圖 2 pcb 板正面16圖 3 pcb 板反面17總總 結(jié)結(jié)本設(shè)計(jì)是主要采用了芯片來(lái)進(jìn)行寬帶放大器的制作，因其具有高精度、頻帶寬、高頻特性好等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)放大器時(shí)所使用的元器件也簡(jiǎn)潔。所以此設(shè)計(jì)是一個(gè)值得推廣的一種方法。在設(shè)計(jì)本作品時(shí)，我通過(guò)查閱網(wǎng)絡(luò)與圖書(shū)館搜集到的資料，再加上

21、樊紅社老師的精心指導(dǎo)與資料提供，把課堂上學(xué)習(xí)的知識(shí)用于實(shí)踐工作中，設(shè)計(jì)出了這一高頻放大器的主要硬件結(jié)構(gòu)，基本完成了課題的要求，但是由于設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)尚淺，對(duì)課題的研究經(jīng)驗(yàn)還不成熟，使得在技術(shù)的解決與運(yùn)用上顯得粗糙了一些，在某些技術(shù)關(guān)鍵上的敘述不能達(dá)到詳細(xì)、精辟。但是這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)卻不缺乏自己的特點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)，可歸結(jié)為如下幾點(diǎn)：該設(shè)計(jì)采用的元件較少，操作方便；使用維護(hù)方面也很便利，易于掌握；體積小，放大信號(hào)穩(wěn)定性好。本設(shè)計(jì)主要是模擬電路處理，得到了很高的增益和較小的噪聲。由于考慮信號(hào)的穩(wěn)定性及高頻信號(hào)的特性問(wèn)題，系統(tǒng)的核心部件使用了集成芯片op37，設(shè)計(jì)很靈活也很容易實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了信息的高精度、快速處理和輸出功能。該系統(tǒng)的應(yīng)用有助于減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高安全性、準(zhǔn)確性和工作效率。由于本人的水平有限，設(shè)計(jì)當(dāng)中，難免會(huì)有不少的缺點(diǎn)和不足之處，懇請(qǐng)教導(dǎo)批評(píng)并改