全國二等獎_射頻寬帶放大器_設(shè)計方案_設(shè)計理論2013-9-8

1、射頻寬帶放大器(D題)摘要：本作品采用OPA842 ，AD8009和OPA8045設(shè)計多級射頻寬帶放大器。作品中設(shè)計了高效率直流穩(wěn)壓電源，使用了阻抗匹配以及多種抗干擾措施以減少外界噪聲，同時抑制高頻自激，使得射頻放大器的性能穩(wěn)定，功能完善，實現(xiàn)了題目中1mv小信號放大和60db高增益。本設(shè)計具有高帶寬，低噪聲，增益可調(diào)等特點，能對要求的小信號進(jìn)行高增益，低失真，低噪聲的放大。 AbstractThis work designs a multi-stage radio frequency broadband amplifiers with OPA842, OPA8009 and AD8045.

2、The efficient DC regulated power supply is implemented, and impedance matching and anti-interference techniques are used to reduce noises and suppress the high frequency excitation, which can make the designed amplifier being table and achieve the requirements. This design has the advantanges of hig

3、h bandwidth, low noise and adjustable gain and can be used to amplify small signals with high gain, low distortion and low noise.目錄目錄21 方案比較與論證：12 理論分析與計算22.1 寬帶放大器設(shè)計22.2 5階無源巴特沃斯高通濾波器32.3 頻帶內(nèi)增益起伏控制32.4 射頻放大器的穩(wěn)定性42.5 增益調(diào)整43系統(tǒng)硬件電路整體設(shè)計（見附錄2）54 系統(tǒng)測試方案54.1測試方法54.2 測試儀器54.3測試結(jié)果及分析64.3.1基本要求64.3.2擴展要求65 競

4、賽感想86 附錄8附錄1系統(tǒng)硬件電路整體設(shè)計8附錄2 設(shè)計任務(wù)與要求91 方案比較與論證：綜合分析題目要求，在較寬的信號帶寬內(nèi)，要實現(xiàn)0-100M帶寬，對1mv小信號進(jìn)行60db放大并保持帶內(nèi)增益1db起伏是本題的難點。要得到很好的性能指標(biāo)，放大電路的噪聲抑制和自激振蕩也是很難解決的問題。此外此電路的設(shè)計中要考慮成本因素。方案一：采用一級差分和二級寬帶放大首先用TI公司的具有370M帶寬的差分寬帶芯片THS4500進(jìn)行低噪聲的前級放大，將輸入信號放大到合適電壓后，再用OPA842進(jìn)行后級放大，理論放大有效值能達(dá)到200mv。該方案對噪聲抑制最好，但是理論分析，電路調(diào)試?yán)щy。方案二：采用多級寬帶

5、放大 該方案通過選用滿足功能指標(biāo)的運算放大器，通過多級級聯(lián)的形式，合理選取每級放大增益，最終達(dá)到題目功能指標(biāo)。該方案對芯片性能要求較高，但具有容易調(diào)節(jié)，電路簡單的特點，實際操作行高。方案三：采用一級程控放大和二級寬帶放大第一級采用可調(diào)增益的程控放芯片VCA820進(jìn)行前級放大，再用OPA695進(jìn)行第二級寬帶放大。該方案具有增益程控，可以較好的解決放大器增益非線性的問題，具有自動調(diào)節(jié)增益的特點，但一般程控放大芯片受帶寬限制，很難達(dá)到100M放大帶寬要求。方案選擇: 本次設(shè)計選用方案二，基礎(chǔ)部分通過運用兩片單位帶寬400M的OPA842進(jìn)行每級6倍的簡單級聯(lián)放大，最終達(dá)到36倍(20dB)放大，滿足

6、系統(tǒng)指標(biāo)要求。OPA842具有低失真（93dBc(5MHz) ），低噪聲（2.6nV/），高壓擺率的特點。在0-50M的帶寬內(nèi)，對小信號放大具有平坦的頻率響應(yīng)。該芯片前期準(zhǔn)備充足，使用熟悉，能簡化設(shè)計。擴展部分，通過選取1G帶寬的AD8009對小信號進(jìn)行初級放大，再通過兩級AD8045進(jìn)行次級放大。通過調(diào)節(jié)每級增益，達(dá)到60dB的放大增益。AD8009具有高帶寬，高帶寬增益積，低失真（50 dBc 100 MHz），低噪聲（3 nV/），在100M帶寬內(nèi)具有較平坦的小信號頻率響應(yīng)。次級級聯(lián)的AD8045具有高壓擺率（5500 V/µs），高帶寬的特點，級聯(lián)后能滿足性能指標(biāo)。2 理論分

7、析與計算2.1 寬帶放大器設(shè)計放大器鏈路組成如圖1. 圖2所示： 圖 1 基本要求放大器組成鏈路 圖 2 擴展部分放大器組成鏈路圖1和圖2標(biāo)注了本設(shè)計方案基礎(chǔ)部分中每級增益的分配，并在下方根據(jù)官方datasheet，在下方標(biāo)注了理論帶寬。2.2 5階無源巴特沃斯高通濾波器 為滿足題目要求的幅頻特性曲線，我們采用五階巴特沃斯高通濾波器對運算放大器輸出信號進(jìn)行濾波，濾波器電路原理圖如下： 圖3 5階無源巴特沃斯高通濾波器2.3 頻帶內(nèi)增益起伏控制由于影響各器件的幅頻特性平坦度的因素有很多，所以系統(tǒng)通頻帶內(nèi)增益很容易出現(xiàn)起伏。所以選取的芯片必須具有合適的增益帶寬積，壓擺率，失調(diào)電流，失調(diào)電壓以及溫度

8、系數(shù)。本設(shè)計方案中的前級放大選取了芯片OPA842，該芯片在0-30M內(nèi)對小信號放大具有十分平坦的頻率響應(yīng)，在30-100M內(nèi)最大0.5dB的起伏。而后級放大采用的運放OPA695在0-250M的帶寬內(nèi)保持平坦的頻率響應(yīng)，到300M時才出現(xiàn)明顯的衰減。因此本方案的前后級連接后，能達(dá)到本題的設(shè)計指標(biāo)。2.4 射頻放大器的穩(wěn)定性放大器要達(dá)到絕對穩(wěn)定，放大器不僅不能同時接近自激振蕩條件： 和 ,而且要留有適當(dāng)?shù)母辉Ａ?。?dāng)放大器出現(xiàn)自激振蕩的問題時，可以在電路中增加零極點來做相位補償，以達(dá)到穩(wěn)定性。電路中的不良接地和不充分的供電電源，大容量容性負(fù)載和高頻噪聲都對運算放大器的穩(wěn)定性有影響。通過以下抗干擾

9、措施，本設(shè)計方案達(dá)到了較好的穩(wěn)定性。 通過以下抗干擾措施，本設(shè)計方案達(dá)到了較好的穩(wěn)定性。：信號源、各級電路之、示波器之間采用鍍銀屏蔽同軸電纜連接。：整個電路裝置放置于防屏蔽鐵盒中。：退耦電容盡量接近芯片電源引腳。 2.5 增益調(diào)整 反向放大電路的原理如下圖所示： 圖4 反向放大電路放大電路的增益，通過調(diào)整R2（R2為可調(diào)電位器）的阻值，來改變放大電路的增益。3系統(tǒng)硬件電路整體設(shè)計（見附錄2）4 系統(tǒng)測試方案4.1測試方法 本設(shè)計采用點頻測試法，測試框圖如下： 圖5 測試方案4.2 測試儀器表1 測試儀器儀器型號120M信號發(fā)生器F120100MHZ示波器DS1102E 6位半電壓表AGILEN

10、T 34401A 4.3測試結(jié)果及分析4.3.1基本要求：幅度調(diào)節(jié)測試 通過調(diào)節(jié)反饋電位器，能實現(xiàn)0-20dB增益調(diào)節(jié)，滿足基本要求一。：0-20M通頻帶增益測試測試條件：Vin=17.68rms (mv) (50mv VPP) ，輸出信號如下： 表2 0-20M通頻帶增益測試 頻率/MHZ0.20.30.50.8135實測Vrms/mv206.48229.10240.42243.24246.07263.04260.22增益/dB21.3522.2522.6522.7722.8723.4523.35頻率/MHZ8101113151820實測Vrms/mv263.04260.22268.7026

11、8.70268.70274.36277.19增益/dB23.4523.3523.6323.6323.63238123.91 :由表2可知，輸入信號在0-20M通頻帶內(nèi)都能達(dá)到Vrms200mV，滿足基本要求二。 :由表2可知，當(dāng)輸入在1M的測得最小Vrms=246.07mv，在15M取得最大Vrms= 268.70mv，最大波動為0.76dB,滿足題目基本要求三。4.3.2擴展要求：幅度調(diào)節(jié)測試測試條件：Vin=0.00098 rms (v) (2.8mv VPP)，輸出信號如下：表3 0-50M 1mv小信號增益測試頻率/MHZ0.20.30.50.8135實測Vrms/v2.4042.40

12、42.3762.3772.3762.1922.220增益/dB67.7967.7967.6967.7067.6966.9967.10頻率/MHZ8101215182022實測Vrms/mv1.9011.4421.3851.1461.0891.0471.032增益/dB65.8063.3563.0061.3660.9260.5760.45頻率/MHZ25283035404550實測Vrms/mv1.0180.9970.8820.7610.6370.5120.391增益/dB60.3360.1559.0857.8056.2654.3652.00由表3知，該設(shè)計在0-28M內(nèi)，增益能達(dá)到60dB，并

13、且實際中能實現(xiàn)幅度0-60dB內(nèi)可調(diào)。:噪聲測試題目要求在Av=60dB時，輸出端噪聲電壓的峰峰值VONPP 100mv 。故對放大器進(jìn)行噪聲測試。測試方法：增益預(yù)置為60dB，放大器輸入端加50歐姆電阻匹配到地，用示波器測量輸出噪聲，幅度為60-80mv。測試結(jié)果表明放大器在一定的增益范圍內(nèi)能滿足題目對噪聲的指標(biāo)要求。:100M通頻帶測試 由表3知本設(shè)計設(shè)計在0-28M內(nèi)，增益能達(dá)到60dB，28M之后，增益逐漸下降，分析原因有： ：放大器本身帶寬增益限制。 ：PCB制版工藝限制。 ：電源及其他外界噪聲影響。 5 競賽感想通過這次電子設(shè)計的經(jīng)歷，小組成員熟悉了電子設(shè)計競賽流程，學(xué)習(xí)了硬件設(shè)計

14、的基本方法，對常用電子元器件有了更深的了解。 6 附錄附錄1系統(tǒng)硬件電路整體設(shè)計 圖 6 基本要求放大電路圖 7 擴展部分放大電路附錄2 設(shè)計任務(wù)與要求射頻寬帶放大器（D 題） 【本科組】 一、任務(wù) 設(shè)計并制作一個射頻寬帶放大器。 二、要求 1基本要求 （1）電壓增益 Av 20dB，輸入電壓有效值 Ui 20mV。Av 在 020dB 范圍內(nèi)可調(diào)。 （2）最大輸出正弦波電壓有效值 Uo200mV，輸出信號波形無明顯失真。 （3）放大器 BW-3dB 的下限頻率 fL 0.3MHz，上限頻率 fH20MHz，并要求在 1MHz15MHz 頻帶內(nèi)增益起伏1dB。 （4）放大器的輸入阻抗 = 50

15、，輸出阻抗 = 50 。 2發(fā)揮部分 （1）電壓增益 Av 60dB，輸入電壓有效值 Ui 1 mV。Av 在 060dB 范圍內(nèi)可調(diào)。 （2）在 Av 60dB 時，輸出端噪聲電壓的峰峰值 UoNpp 100mV。 （3）放大器 BW-3dB 的下限頻率 fL 0.3MHz，上限頻率 fH100MHz，并要求在 1MHz80MHz 頻帶內(nèi)增益起伏1dB。該項目要求在 Av 60 dB （或可達(dá)到的最高電壓增益點），最大輸出正弦波電壓有效值 Uo 1V，輸出信號波形無明顯失真條件下測試。 （4）最大輸出正弦波電壓有效值 Uo 1V，輸出信號波形無明顯失真。 （5）其他（例如進(jìn)一步提高放大器的增益、帶寬等）。 三、說明 1要求負(fù)載電阻兩端預(yù)留測試端子。最大輸出正弦波電壓有效值應(yīng)在