寬帶低噪聲放大器設(shè)計畢業(yè)設(shè)計.doc

學號本科畢業(yè)設(shè)計學 院 專 業(yè) 年 級 姓 名 設(shè)計題目 寬帶低噪聲放大器設(shè)計 指導(dǎo)教師 職稱 *年 * 月 * 日目 錄摘要1Abstract.11概述12低噪聲放大器設(shè)計的原理22.1噪聲系數(shù)22.2低噪聲放大器的功率增益以及分配電壓增益22.3端口駐波比32.4工作帶寬與增益平坦度32.5動態(tài)范圍以及壓縮點42.6三階截斷點42.7低噪聲放大器的穩(wěn)定性43器件的選擇53.1放大器的選擇53.2放大器的介紹53.3電源的供電53.4選用器件的介紹54模擬電路設(shè)計64.1方案選擇64.2模擬電路設(shè)計64.3電源電路75電路的調(diào)試85.1調(diào)試過程85.2測試結(jié)果85.3系統(tǒng)的改進措施116總結(jié)11參考文獻12寬帶低噪聲放大器設(shè)計學生姓名：* 學號：* 學 院： 專業(yè)： 指導(dǎo)老師： 職稱：摘 要：本文介紹了一個15V單電源供電的低噪聲放大器設(shè)計，設(shè)計采用三級級聯(lián)的方式。該系統(tǒng)主要是寬帶低噪聲放大器，為了滿足要求，采用了高速運算放大器a741作為前兩級放大，末級用CA3140作為功率放大電路。測試結(jié)果表明，放大倍數(shù)為100倍，帶寬有1MHz。 關(guān)鍵詞：a741；放大器；帶寬；噪聲系數(shù)The design of the low noise amplifier with broadband Abstract: This article describes the design of a single 15V power supply and low noise amplifier. The system has three amplifier consisted ofa741 and CA3140, which meet the requirements of broadband and low noise. Test results show that a amplifier with bandwidth 1MHz is 100 times. Keywords: a741；amplifier；Bandwidth；noise figure1概述我們知道低噪聲放大器是射頻電路的重要組成部分，并且在有源濾波器等電子電路當中寬帶低噪聲放大器起著重要作用。而且在射頻微波電路當中，放大器也起著重要作用，它的好壞直接決定了射頻微波電路的功能的實現(xiàn)，具有很重要的現(xiàn)實意義，所以在制做低噪聲放大器的時候我們要注意它的各項指標是否能夠達標。除此之外，我們知道隨著社會的發(fā)展，以及各項科學技術(shù)的發(fā)展，對通信帶寬的要求也越來越寬因此各種通信設(shè)備在寬頻帶上的工作要求不再是以前的一個或者幾個頻點。由于我國對放大器設(shè)計的技術(shù)相對來說還不算很先進，所以更需要后起之秀對放大器設(shè)計進行進一步的探索和研究。隨著時代的發(fā)展，人們對通信質(zhì)量的要求也更高，其中包括要使工作頻率更高、工作頻率更寬以及噪聲系數(shù)更小，這已經(jīng)成為各項科學技術(shù)設(shè)備發(fā)展的趨勢。本文介紹了一種比較簡單易行的寬帶低噪聲放大器設(shè)計方法。本設(shè)計利用具有低噪聲，高速運算的放大器a741，以及DC-DC交換器TPS61087DCR作為此寬帶的噪聲放大器設(shè)計的核心。希望這個系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)通頻帶為10MHz,電壓增益為40dB，負載為50歐姆時，所輸出電壓峰峰值是12V等等這些指標。此方法在設(shè)計過程中容易實現(xiàn)，并且所需成本比較低，對設(shè)計寬帶低噪聲放大器可謂是一種不錯的方法。2低噪聲放大器設(shè)計的原理2.1噪聲系數(shù)在射頻微波系統(tǒng)當中，噪聲不僅包括外部環(huán)境所產(chǎn)生的噪聲也包括電路自身產(chǎn)生的噪聲兩個部分。放大器的噪聲系數(shù)可用NF來表示，它的定義式如（2-3）所示。 （2-1） （2-2） （2-3）其中，輸入端口的信號功率用表示，輸入噪聲功率用表示；輸出端口的信號功率用表示，輸出噪聲功率用表示。信號功率與噪聲功率的比值也就是放大器的信噪比，噪聲系數(shù)也就是輸入信噪比與輸出信噪比的比值。上面式子的物理意義就是：如果信號通過放大器之后，因為存在噪聲就會得到不同的信噪比，從而信噪比就會下降，下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。2.2低噪聲放大器的功率增益以及分配電壓增益功率增益是本設(shè)計的一個重要指標。其中在很多設(shè)計當中每一步都有很多種對功率增益的定義，而且每一種定義都會給出關(guān)于放大器性能的一些信息，每次設(shè)計都可以根據(jù)不同的指標設(shè)計出合適的放大器類型。一般情況下的定義以及使用的定義有三種功率增益：一種是工作功率增益即G=，此式子表示傳送到負載的功率與傳到二端口網(wǎng)絡(luò)的輸入端的功率的比值。另一種是可用功率增益即G=，此式子表示二端口網(wǎng)絡(luò)的可用功率與源的可用功率的比所得到的結(jié)果。最后一種是轉(zhuǎn)換功率增益即G=，此式子表示傳送到負載的功率比上來自源的可用功率所得的結(jié)果。這些都是對增益的度量，對計算具有更好的計算結(jié)果。對于多級放大電路的分配電壓增益，它的上限頻率與組成它的各級放大級上的上限頻率之間存在一定的近似關(guān)系，這個近似關(guān)系如下所示：若將兩個相同的頻率特性信號輸入放大器，其中每一級的上限頻率是fh1，那么兩級放大電路的總的上限頻率是fh=0.64fh1；如果將三個相同的頻率特性的放大級組成放大電路，其中每一級的上限頻率是fh1，那么三級放大電路總的放大頻率上限是fh=0.5fh1。所以要想使級聯(lián)時不會有太多的頻率衰竭，就必須要合理的調(diào)整各級的放大倍數(shù)。在此實驗中，在最佳的環(huán)境下通過調(diào)節(jié)單運放ua741放大電路，在放大通道的正弦信號輸入電壓幅度為5-200mV，帶寬為50-10000Hz。2.3端口駐波比放大器的輸入端口和輸出端口與系統(tǒng)特性阻抗的匹配程度由這兩個端口的電壓駐波比公式如下：VSWR= （2-4）微波低噪聲放大器通常情況下采用50歐姆作為特性阻抗。由（2-4）式可以知道，端口駐波比總是大于等于1的，當T=0，也就是當零反射時，VSWR最小為1，此時端口的匹配是最好的。低噪聲放大器具有兩個重要指標，即噪聲系數(shù)和功率增益。一個是在輸入端口按照最佳噪聲來設(shè)計的，另一個是在輸出端口功率的最大來設(shè)計的，這兩者是會互相影響的，其結(jié)果也必然會導(dǎo)致駐波比不會在最佳的共軛匹配點上，或者噪聲匹配不會在最佳點上，所以低噪聲放大器設(shè)計經(jīng)常是在噪聲系數(shù)與駐波比也就是說功率增益間的權(quán)衡。2.4工作帶寬與增益平坦度對于理想的微波低噪聲放大器我們希望在工作頻帶內(nèi)具有相等的增益以及較好的輸入匹配和較小的噪聲系數(shù)。我們在前面說過，共軛匹配只能在相對較窄的帶寬上給出最大的增益，然而對于最大的增益來說它的設(shè)計將提高增益的帶寬，不過放大器的輸入以及輸出匹配就會變得很差，這些問題主要是由于典型的微波晶體管和50歐姆特性阻抗是不好匹配的，因此要想拓寬帶寬就必須以降低增益為代價來進行。增益平坦度的定義是指在給定的帶寬范圍內(nèi)的增益的最大值減去最小值，也就是說這個范圍內(nèi)值的差，這以分貝來衡量。2.5動態(tài)范圍以及壓縮點低噪聲放大器輸入信號要求的最小功率和最大功率的最大功率范圍就是寬帶低噪聲放大器的輸入信號動態(tài)范圍。這些定義也就是說當某一個信號通過放大器的時候，如果功率比較小的時候，那么放大器的噪聲就會把它覆蓋，這樣將得不到輸出信號；如果信號的功率過大的時候，當它大于放大器的線性指標的時候，放大器就不會將繼續(xù)線性的放大信號，而是會有下降到飽和的趨勢，這個時候輸出信號就會失真。如果能夠看到壓縮點從理論上的并且比較理想狀態(tài)的輸出功率特性曲線上下降了1dB壓縮點，那么這個下降到1dB的功率電平所得到的結(jié)果就是1dB壓縮點，這樣做的目的是為了定量規(guī)定一個放大器的動態(tài)范圍，這個定義與所要講的三階截斷點都是評判一個放大器非線性特性的重要的參考依據(jù)。2.6三階截斷點通?？梢杂?dB壓縮點和三階互調(diào)截點這兩個指標來衡量放大器非線性特性。當兩個頻率相近的信號f1以及f2同時一起輸入到放大器的時候，因為放大器的非線性特性，將會產(chǎn)生許多組合的頻率分量，在這些分量當中，2f1-f2和2f2-f1是其中最接近基頻信號的，從而會落到通頻帶內(nèi)以至于很難消除，進而會引起輸出信號的失真。例如，當f1=1KHz,f2=1.2KHz,則經(jīng)過計算可得2f1-f2=0.2KHz，2f2-f1=0.4KHz。當三階互調(diào)功率同和基波功率相等時的點就是三階截斷點。通常情況下三階截斷點P3要比1dB壓縮點P1大12-15dB。2.7低噪聲放大器的穩(wěn)定性在低噪聲放大器設(shè)計的重要特性當中，穩(wěn)定性是它的重要特性之一，如果低噪聲放大器電路的性能不夠穩(wěn)定時就會產(chǎn)生振蕩。通常情況下這不是一個在恒定的振幅和恒定的頻率下的恒定的振蕩，事實上是一個混亂的響應(yīng)，而振蕩器的設(shè)計當然也不是簡單的設(shè)計一個不穩(wěn)定的放大器。我們知道沒有一個簡單的度量可以來表示一個放大器是不是穩(wěn)定的。既然穩(wěn)定的條件是復(fù)雜的，但是如果我們考慮在無論多少負載以及輸出網(wǎng)絡(luò)匹配的情況下，輸入端它都是穩(wěn)定的；同理，無論源以及輸入網(wǎng)絡(luò)的匹配情況是多少的情況下，輸出端也都是穩(wěn)定的。自激振蕩對于我們了解放大器的穩(wěn)定性具有重要作用。由于信號在通過反饋回路以及運放的過程中產(chǎn)生附加相移從而產(chǎn)生自激振蕩。這個附加相移包括高頻段產(chǎn)生的也包括低頻段產(chǎn)生的，我們分別用1，2表示。當輸入某一個信號為頻率fo，在這里使12=n,在這里n為奇數(shù)，反饋量會使輸入量增大，此時電路會產(chǎn)生正反饋。對于電壓反饋型ua741我們要人為地加入電阻電容，他們就會在fo處產(chǎn)生附加相移3，如果32n（n為奇數(shù)），那么自激振蕩就會消失。3器件的選擇3.1放大器的選擇 在此我們選用高速運算放大器a741作為前兩級放大電路，ca3140作為最后一級放大電路。3.2放大器的介紹 高速運算放大器a741是一款低噪聲作為增益放大器，電壓負反饋的運算，其輸入噪聲為,其寬帶為240MHz，輸出電流能夠達到110mA。對于ca3140放大電路，它是一款高速寬帶放大器，作為功率放大器，其輸入噪聲為，其通頻帶從0到210MHz，并且可以提供電流的輸出。3.3電源的供電 本設(shè)計采用單電源供電，用這種方式進行輸入，不需要加入直流輸入的成份，此供電電源的靜態(tài)工作電壓是在0V，因此電壓的動態(tài)范圍非常大，比較接近電源。 本設(shè)計的總體設(shè)計圖如下： 輸入Via741前級放大a741中級放大CA3140末級放大輸出VoTPS6108715VDC-DC交換器 圖1系統(tǒng)設(shè)計框圖3.4選用器件的介紹 (1) a741是單運放放大器，也屬于雙電源供電電路，但也可以用于單電源供電，那么此時將要求將集成運放組成的交流放大器設(shè)計成單電源供電方式。 (2)ca3140是高精度低失調(diào)電壓的精密運放集成電路，用于微弱信號的放大，如果使用雙電源，能達到最好的放大效果,但也可以用于單電源供電。 (3)TPS61087具有強制PWM模式的18.5V、3.2A、652KHZ1.2MHZ升壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器。 (4)L7805是我們常用到的穩(wěn)壓芯片，使用方便，用很簡單的電路即可輸入一個直流穩(wěn)壓電源，它的輸出恰好是5V。4模擬電路設(shè)計4.1方案選擇方案一：為了能夠?qū)崿F(xiàn)至少為40dB的增益調(diào)節(jié)，也可以使用DA高速乘法器型來實現(xiàn)?？梢允褂棉D(zhuǎn)換器DA的數(shù)字量的輸入端控制傳輸衰減來實現(xiàn)增益的控制。這個方案可以說是簡單易行并且精確度較高。但是通過實驗可以知道它轉(zhuǎn)化非線性誤差比較大，并且寬帶只有幾千赫茲，同時當信號的頻率較高時，系統(tǒng)較容易發(fā)生自激，所以此方案不宜選擇。方案二：若采用分立元件，那么此方案就會使元器件成本降低，但是不宜實現(xiàn)，并且周期很長，尤其是在時間較短的情況下手工制作就會很難保證結(jié)果的可靠性以及達到相應(yīng)的指標，所以不能夠采用這個方案。方案三：本方案采用三級級聯(lián)的方式，并且對每一放大級都提供15V的單電源供電。同時在每一放大級上都采用負反饋的方式進行。在本實驗中我們應(yīng)用ua741作為前兩級放大電路，反饋電阻的選擇決定了前兩級都為5倍放大，最后一級我們采用的核心元件為ca3140，負反饋接滑動變阻器，最終可使最后一級放大倍數(shù)為4倍放大。在這個寬帶低噪聲放大器設(shè)計中要求的帶寬為1MHz，最終放大倍數(shù)為100倍，電壓增益為40dB。那么這基本上是能夠滿足題目的要求的，并且這個方案的方法簡單易行，系統(tǒng)過程實行起來也較簡單,可采用。4.2模擬電路設(shè)計圖2三級放大電路的通頻帶 通過進一步的設(shè)計和理論分析，又通過在軟件上的仿真可以得到初步的結(jié)果。所得仿真結(jié)果如圖1所示4.3電源電路本設(shè)計需要一個15V的單電源。在這里介紹了5V和15V電源電路設(shè)計如圖2，圖3所示。圖3 電源電路圖（5V） 為了得到10V的電壓峰峰值的輸出，在這里我們使用DC-DC變化器TPS61087DRC可以將+5V的電壓轉(zhuǎn)換為+15V，通過這樣可以為末級放大電路提供電壓。電路如圖3所示：圖4 電源電路圖（15V）4.4放大電路 對于放大電路的設(shè)計這里采用a741作為前兩級放大電路，op07作為此放大電路的最后一級放大電路。在這個放大電路當中對于末級放大電路可以通過兩個可調(diào)電阻來控制放大倍數(shù)并且保證輸出信號不失真。放大電路如下圖4所示：圖5三級放大電路 在一級放大電路中，我們的輸入信號為電壓峰峰值為2.00mV的正弦信號，對三級放大電路采用15V的單電源供電，一級的輸出信號可以在示波器上顯示，通過調(diào)節(jié)輸入信號的頻率可以在示波器上顯示輸出信號在不失真情況下的下限頻率和上限頻率，此范圍為0-12KHz，并且可以觀察到輸出電壓峰峰值為1V，可以看出一級放大倍數(shù)為50倍，同理也調(diào)試出了二級三級的放大情況。二級放大電路情況同一級放大情況一樣，在調(diào)試總的放大電路情況時，輸入信號頻率范圍是10-10MHz，并且調(diào)節(jié)輸入信號電壓的峰峰值，峰峰值調(diào)節(jié)范圍是0-100mV。調(diào)試結(jié)果在下文。5電路的調(diào)試5.1調(diào)試過程 （1）使三級放大電路每一級的正電源端都分別連接+15V電源，在三級放大器的第一級的輸入端輸入信號，也就是接上信號發(fā)生器，此信號可以為正弦信號，可通過調(diào)節(jié)輸入信號的電壓峰峰值以及頻率范圍來調(diào)節(jié)輸出信號的變化。 （2）為了檢測輸入信號的上限頻率以及下限頻率，可通過調(diào)節(jié)輸入信號的頻率看輸出信號的最小頻率失真以及最大頻率失真，這個最大和最小的范圍也就是它的截止頻率范圍，從而以此來測試通頻帶是否是平穩(wěn)的。 （3）通過上述過程，可分別記錄不同情況下輸出信號的電壓峰峰值，電壓有效值以及頻率范圍。5.2測試結(jié)果測試結(jié)果如表1：輸入電壓輸出電壓頻率f峰峰值峰峰值有效值3Hz20mv1.6v0.5v5Hz50mv4.5v1.6v10Hz40mv4.0v1.5v1KHz40mv4.1v1.6v1MHz50mv5.2v1.6v10MHz100mv10.2v3.6v50MHz100mv8.8v3.2v 表1 40dB時的輸入輸出測試 通過表1我們可以看出放大器的預(yù)寬帶為10Hz-10MHz、最大的增益為40dB的情況下，通頻帶里是比較平坦的，在這個時候它最大的不失真的輸出電壓結(jié)果大約是10.2v，經(jīng)過測試此結(jié)果比較符合題目的要求的。測試的波形如下：圖5 10Hz正弦信號放大圖 圖5所顯示的結(jié)果表示為輸出信號的電壓峰峰值為6V，輸出信號的頻率為10Hz。圖6 20HZ正弦信號放大圖 圖6所顯示的結(jié)果表示為輸出信號的電壓峰峰值為10.8V，輸出信號的頻率約為20Hz。圖7 1KHz正弦信號放大圖 圖7所顯示的結(jié)果表示為輸出信號的電壓峰峰值為11.6V，輸出信號的頻率1KHz。圖8 1MHz正弦信號放大圖 圖8所顯示的結(jié)果表示為輸出信號的電壓峰峰值為12V，輸出信號的頻率為1MHz。圖9 10MHz正弦信號放大圖 圖9所顯示的結(jié)果表示為輸出信號電壓的峰峰值為10V,輸出信號的頻率為10MHz。通過上述圖形所顯示的調(diào)試結(jié)果可以看出這個寬帶低噪聲放大器的一些指標是滿足要求的，由圖可以看出，由于輸入信號的電壓峰峰值的變化以及輸入信號頻率的變化，輸出信號的峰峰值以及輸出信號的頻率也發(fā)生了變化。5.3系統(tǒng)的改進措施 雖然此設(shè)計達到了題目的基本要求，但還是存在一些問題需要改進。存在的問題和改進措施為：在每一個模塊都能夠正常工作的情況下，但是在整個級聯(lián)調(diào)試的時候還是會出現(xiàn)某些雜波的的干擾的，所以我們需要對這種情況進行一些改進措施，這個改進措施就是系統(tǒng)的地線不能夠出現(xiàn)環(huán)路，所以我們要使地線最好一點接地。在此實驗當中我們進行了制板，所以在實現(xiàn)當中我們要保證板子的準確性，在連線時要減少交叉保證電路的簡單準確性。6總結(jié)本設(shè)計采用三級級聯(lián)的方式來進行，但在設(shè)計的開始階段本打算使用負反饋的形式建立一個一級的放大形式，但事實上發(fā)現(xiàn)并不能達到預(yù)想的結(jié)果，所以在本設(shè)計中決定采用三級級聯(lián)方式，其中所用核心元器件有a741為一級和二級放大電路，采用ca3140為末級放大電路，測量過程中先分別測出每級的放大倍數(shù)，然后再測出總的放大倍數(shù)。在此設(shè)計當中我們一級和二級放大電路提供15V電源，對末級放大電路也采用15V供電電路。在本實驗當中為了達到更好的效果，制作了PCB版以便電路的順利連接以及測試。本設(shè)計當中進過反復(fù)的調(diào)試以及測試達到了預(yù)測的結(jié)果即這個系統(tǒng)最終實現(xiàn)了電壓增益為40dB，通頻帶為1MHz,以及在有負載的情況下輸出電壓峰峰值為10V等指標。本設(shè)計所需成本較低，簡單易行能夠達到預(yù)想的結(jié)果。通過本設(shè)計我學到了很多知識，包括軟件的使用，電路板的制作與使用，還有電路的連接，以及電路的調(diào)試，這期間鍛煉了自己的動手能力和分析能力，可以將理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)了我的興趣，對以后的發(fā)展有了更多的幫助。參考文獻1 李曉東，宋耀良，商堅剛.寬帶線性功率放大器研制D.南京：南京理工大學，20122 曹文才,石玉,何澤濤.超寬帶高線性低噪聲放大器的研制J.磁性材料及器件，2011,42（3）： 65-693 黃智偉.射頻小信號放大器電路設(shè)計M.西安：西安電子科技大學出版社，2008:11-234 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