高頻報(bào)告-可調(diào)增益寬帶放大器設(shè)計(jì).doc

可變?cè)鲆鎸拵Х糯笃髟O(shè)計(jì)1、應(yīng)用背景隨著社會(huì)發(fā)展，隨著計(jì)算機(jī)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(zhǎng)的趨勢(shì)，各類型放大器的運(yùn)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。在當(dāng)今科技和通訊高速發(fā)展下，各種自動(dòng)化、智能化儀器裝置對(duì)信號(hào)的要求越來越高，尤其在一些高精度的領(lǐng)域，對(duì)小信號(hào)的放大與處理要求更為嚴(yán)格。普通的運(yùn)放存在著本身不可忽略的缺點(diǎn)，用普通的運(yùn)放設(shè)計(jì)的放大器一般具有頻帶窄、噪聲系數(shù)大、低增益的特點(diǎn)。寬帶放大器可以對(duì)寬頻帶、小信號(hào)、交直流信號(hào)進(jìn)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(jì)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(shí)滿足這些性能指標(biāo)，對(duì)電路設(shè)計(jì)提出了很高的要求，尤其是高頻PCB和電磁兼容的設(shè)計(jì)要求。2、設(shè)計(jì)目的要求所設(shè)計(jì)的高頻小信號(hào)放大器輸入/輸出電壓處于動(dòng)態(tài)可變范圍的前提下，同時(shí)兼顧增益與帶寬的要求，使其具有較寬的頻帶，同時(shí)具備低噪聲、工作穩(wěn)定的特點(diǎn)。3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)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(jí)增益可調(diào)放大電路、后級(jí)功率放大電路。為降低噪音，在多級(jí)放大電路中，應(yīng)注意第一級(jí)放大電路的降噪設(shè)計(jì)，可通過選用低噪聲芯片設(shè)計(jì)固定增益放大電路，并注意設(shè)計(jì)反饋電路。中間級(jí)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(hào)輸入信號(hào)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(jì)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(gè)低噪、90MHz帶寬增益可調(diào)的集成運(yùn)放，它提供精確的引腳可選增益，90 MHz帶寬時(shí)增益范圍為-11 dB至+31 dB，9 MHz帶寬時(shí)增益范圍為+9 dB至+51 dB。用一個(gè)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(shí)功耗為125mW。兩片AD603級(jí)聯(lián)時(shí)，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(jì)要求。圖 1AD609引腳圖4.1.2AD811 AD811是一款寬帶電流反饋型運(yùn)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(hào)幅值隨頻率增大而減小，系統(tǒng)需采用數(shù)控電位計(jì)X9C102 來實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆娣糯?，即依?jù)輸出信號(hào)頻率的不同來改變數(shù)控電位計(jì)的值，以改變?cè)鲆?，?shí)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?cè)鲆娣糯笃?，具?0dB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(jià)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(yùn)算放大器，常用于高頻小信號(hào)放大電路，單位增益穩(wěn)定為500MHz，小信號(hào)輸入時(shí)，當(dāng)放大倍數(shù)大于10時(shí)，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(yùn)算放大器，有一個(gè)很低的輸入噪聲電壓和使用一個(gè)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(bǔ)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(gè)優(yōu)秀的絕對(duì)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(jì)要求為寬帶放大器，要求帶寬較高，故對(duì)于三極管型號(hào)的選擇以及電路的搭建布線等都要求較大，實(shí)行起來比較困難。4.2.2采用集成運(yùn)算放大器集成芯片電路簡(jiǎn)單，使用方便，性能穩(wěn)定，超高速集成運(yùn)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(shí)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(jí)分立高頻的放大電路路缺點(diǎn)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(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)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(yùn)算放大器THS3091驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力較大，是一個(gè)高電壓，低失真，電流反饋運(yùn)算放大器，該方法電路簡(jiǎn)單，增益可調(diào)，且可以通過運(yùn)放并聯(lián)的方法增加其驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力，此方法電路簡(jiǎn)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(yùn)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(jì)方案會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，運(yùn)放的工作電流會(huì)非常大，運(yùn)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(shí)帶負(fù)載的能力又太弱。圖 6電源設(shè)計(jì)方案一4.4.2方案二在方案一上加以改進(jìn)，如圖7增加兩個(gè)三極管，加強(qiáng)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(shí)也能保持正負(fù)電源基本對(duì)稱，故采用此方案。圖 7電源設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)穩(wěn)壓電路。4.5.1采用7905，7805芯片設(shè)計(jì)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(qiáng)?？蓾M足設(shè)計(jì)要求，故采用此方案。5、理論分析與參數(shù)計(jì)算5.1各級(jí)增益分配本系統(tǒng)以可控增益放大器AD603為核心，兩級(jí)級(jí)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(jìn)行設(shè)計(jì)。由于中間級(jí)采用的可控增益放大器對(duì)輸入、輸出電壓均有所限制，所以必須合理分配各級(jí)放大器的放大倍數(shù)。由于單級(jí)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(jí)放大和后級(jí)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(jí)放大級(jí)采用OPA690構(gòu)成增益為兩倍的放大器，后級(jí)功率放大級(jí)采用具有高驅(qū)動(dòng)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(hào)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(hào)的頻率很高時(shí)，則信號(hào)的波長(zhǎng)就很短，當(dāng)波長(zhǎng)短得跟傳輸線長(zhǎng)度可以比擬時(shí)，反射信號(hào)疊加在原信號(hào)上將會(huì)改變?cè)盘?hào)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(shí)，在負(fù)載端就會(huì)產(chǎn)生反射。當(dāng)阻抗不匹配時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致放大器不工作甚至損壞?？梢酝ㄟ^在兩級(jí)之間接入LC型電路，構(gòu)成匹配網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)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(jí)級(jí)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(jìn)一步對(duì)外界影響進(jìn)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(hào)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(jì)6.1前級(jí)固定增益放大電路圖 9前級(jí)固定增益放大電路6.2中間級(jí)增益可調(diào)放大電路圖 10中間級(jí)增益可調(diào)放大電路6.3后級(jí)功率放大電路圖 11后級(jí)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(jí)固定增益放大電路 第一級(jí)放大倍數(shù)約為2-3倍，基本符合預(yù)期結(jié)果。圖 12前級(jí)固定增益放大電路仿真7.2中間級(jí)可調(diào)增益放大電路7.2.1當(dāng)頻率為5MHz時(shí)中間級(jí)第一級(jí)增益為48dB，兩級(jí)級(jí)聯(lián)增益為74dB，但波形有所失真。圖 135MHz中間級(jí)前級(jí)仿真圖 145MHz中間級(jí)后級(jí)仿真7.2.2當(dāng)頻率為50MHz時(shí)中間級(jí)第一級(jí)增益為12dB，兩級(jí)級(jí)聯(lián)增益為45dB，增益不滿足預(yù)期結(jié)果。圖 15 50MHz中間級(jí)前級(jí)仿真圖 16 50MHz中間級(jí)后級(jí)仿真7.2.3當(dāng)頻率為20MHz時(shí)，兩級(jí)級(jí)聯(lián)增益為60dB，當(dāng)頻率為30MHz時(shí)，兩級(jí)級(jí)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(jí)級(jí)聯(lián)仿真圖 18 30MHz兩級(jí)級(jí)聯(lián)仿真7.3后級(jí)功率放大電路7.3.1經(jīng)過后級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)AD603放大效果較好，但兩級(jí)級(jí)聯(lián)后，后級(jí)受前級(jí)影響，會(huì)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(jí)功率放大電路單獨(dú)運(yùn)行無誤，但在整個(gè)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(jí)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(jì)報(bào)告主要傾向于對(duì)可調(diào)增益寬帶放大器的設(shè)計(jì)，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(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)方案，有助于后續(xù)設(shè)計(jì)步驟的實(shí)現(xiàn)。通過此次電路設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)了高頻放大電路的設(shè)計(jì)以及可調(diào)增益放大電路的設(shè)計(jì)，并了解了一些高頻寬帶運(yùn)算放大器。但由于準(zhǔn)備不夠充分，電路設(shè)計(jì)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(jìn)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