翻譯 超寬帶低噪音放大器——中文部分.doc

1、翻譯1超寬帶低噪聲放大器UltraWideband LowNoise Amplifier 摘要 超寬帶(超寬頻）低噪聲放大器是數(shù)字電視及寬頻信號處理器的一個(gè)最基本組成部分,但是由于考慮到帶寬、噪音和增益控制等綜合性能，一般設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn).一種低噪音，超寬頻和高性能直流放大器設(shè)計(jì)如圖1.該設(shè)計(jì)涉及AD797構(gòu)成的精密前置放大電路，VCA810構(gòu)成的數(shù)字電位器控制步進(jìn)增益電路、eightorder貝低通濾波器和LC網(wǎng)絡(luò)以及零點(diǎn)漂移數(shù)字校正補(bǔ)償算法。試驗(yàn)結(jié)果(標(biāo)簽1 3和圖6）表明，放大器的增益可從0到80dB步進(jìn)可調(diào),直流到10MHz的通頻帶波動(dòng)小于0.87dB,阻帶衰減達(dá)到-42dB/ 2 fc、

2、等效的輸入噪聲電壓小于7.2Vrms。本設(shè)計(jì)成功地解決一些寬帶放大器中的高挑戰(zhàn)性矛盾,如超寬帶和噪音小，阻帶衰減和通頻帶波動(dòng)、精確控制增益和更正零點(diǎn)漂移.關(guān)鍵字:放大器、超寬帶、增益可控、零點(diǎn)漂移校正一、介紹超寬帶(寬頻）低噪聲放大器被廣泛用于中頻和視頻放大器中.這種電路不僅應(yīng)用在放大視頻信號，以及帶寬范圍從幾兆赫甚至到幾萬兆赫的脈沖信號與射頻信號,而且廣泛應(yīng)用于信號處理方面。近年來，在秘密通訊和目標(biāo)檢測方面超寬帶迅速發(fā)展，超寬頻信號需要更高的帶寬要求，因此前端的預(yù)處理接收電路必須是一個(gè)低噪聲的超寬頻放大器。超寬頻放大器的性能直接影響信號檢測的精度和處理。所以，低噪音的設(shè)計(jì)，零點(diǎn)漂移的校正和超

3、寬帶成為具有重要的工程意義和應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵點(diǎn)。在其它文獻(xiàn),典型的超寬頻放大器增益為1220dB,也有性能和可行性的矛盾。例如，文獻(xiàn)1314提出了放大器超寬帶和低噪音問題的解決,但它無法避免零點(diǎn)漂移。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種低噪聲寬帶放大器、高性能過濾網(wǎng)絡(luò),數(shù)字化的程控零點(diǎn)漂移校正電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)和高精度的電力供應(yīng)。解決了若干如超寬帶和低噪音、阻帶衰減和通頻帶波動(dòng)、精確控制增益和更正零點(diǎn)漂移等問題.我們的設(shè)計(jì)將成功的將可靠的性能和精確的參數(shù)結(jié)合在一起，具有良好的推廣價(jià)值.二、低噪音和超寬帶的解決低噪聲寬帶直流放大器的系統(tǒng)框圖如圖1。放大器系統(tǒng)包含五個(gè)部份:初級放大、濾波網(wǎng)絡(luò)，零點(diǎn)漂移校正電路、控

4、制系統(tǒng)和高性能電源。該放大器主要由低噪聲的精密放大器、增益控制、最后通過推拉輸出的放大和功率驅(qū)動(dòng)電路。低噪聲精確前置放大器采用超低噪聲的集成運(yùn)算芯片,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)低噪聲系統(tǒng)。電壓增益調(diào)節(jié)采用單片機(jī).為了增加系統(tǒng)增益,中間放大器由低噪音、高速集成放大芯片組成。最后級動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電路由拉推輸出的雙重運(yùn)算放大器構(gòu)成的，增加了系統(tǒng)帶負(fù)載能力。高性能過濾器采用無源濾波器的建議去實(shí)現(xiàn)0 5兆赫和0 10兆赫雙通道,并帶有可調(diào)波段的eight-order Bessel濾波器。對于失調(diào)電壓的修正有兩個(gè)建議:模擬修改和數(shù)字修改.在這里我們采用數(shù)字方式去校正提高精度。該控制系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為中心,實(shí)現(xiàn)數(shù)控增

5、益和失調(diào)電壓的調(diào)節(jié)。電源采用了混合調(diào)節(jié)器,為了給整個(gè)系統(tǒng)提供精確的低噪聲直流電源，電源通過耦合濾波、精確的二次調(diào)節(jié)器.三、電路的設(shè)計(jì)和參數(shù)的計(jì)算A 輸出低噪聲和超寬帶是寬帶放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，利用Friis公式可以得出不同增益下的噪聲系數(shù)，公式如下：圖1低噪聲超寬帶直流放大器系統(tǒng)框圖NF1、NF2NFn是每個(gè)放大器的噪聲系數(shù),Kpa1、Kpa2Kpa(n1)是每個(gè)放大器的增益，從Friis公式我們可以看到對梯級放大器最大的影響是第一階段放大器,所以我們在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中,我們應(yīng)該試著去找到增益和噪聲的平衡點(diǎn)。考慮阻抗匹配因素，本設(shè)計(jì)選擇超低噪聲集成運(yùn)算放大器AD797構(gòu)成前置放大器。外部設(shè)備

6、由高性能的金屬薄膜電阻、各階段放大采用低噪聲的芯片.LC低通濾波器設(shè)計(jì)為0 5MHz和0 10MHz。為了降低輸出電壓，在設(shè)計(jì)前置放大電路時(shí)，PCB布局中將模擬和數(shù)字的接地端相分離。由AD797組成的低噪聲前置放大器如圖2：圖2 低噪聲前置放大器電路圖B增益步進(jìn)可調(diào)的設(shè)計(jì)放大器的增益通過外部控制信號來調(diào)節(jié)。在該系統(tǒng)中,主程序增益控制利用外部鍵盤設(shè)定電壓增益來很好的實(shí)現(xiàn)、增益控制放大器選用VCA810。采用單片機(jī)控制,數(shù)字電位器X9C103調(diào)節(jié)輸出電壓范圍0 2 V，這被應(yīng)用到到VCA810增益控制電路.通過這種方式，我們可以使系統(tǒng)的增益從0 80分貝按1dB步進(jìn)可調(diào)。增益控制的電路原理圖如下圖

7、3：圖3增益電路原理圖C、校正零點(diǎn)漂移直流放大器的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象是不規(guī)則的,慢慢地且逐漸改變。增益更大、放大系數(shù)更大,零點(diǎn)漂移現(xiàn)象更嚴(yán)重,在零點(diǎn)漂移達(dá)到飽和時(shí)放大器甚至?xí)荒芄ぷ?失去功能。所以必須設(shè)計(jì)一個(gè)直流零點(diǎn)漂移校正電路以保證直流放大器工作的穩(wěn)定性.我們將最后階段的零點(diǎn)漂移量通過A / D采樣器被送到單片機(jī),那么我們就能利用單片機(jī)來選擇適當(dāng)?shù)膮⒖茧妷?控制數(shù)字電位器X9C102自動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)零。零點(diǎn)漂移校正電路如圖4。圖4 零點(diǎn)漂移校正電路圖D高性能濾波網(wǎng)絡(luò)該過濾器主要用于降低噪聲、減少波形干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，兩個(gè)低通濾波器的通頻帶為05MH和0 10MHz，而且通頻帶的波動(dòng)

8、小于1dB，并且阻帶衰減40dB/2fC,所以要用精確的電容和電感是用來LC低通濾波器。為了實(shí)現(xiàn)線性相位,我們采用了貝塞爾濾波器。對于復(fù)雜的計(jì)算和LC濾波器的參數(shù)設(shè)定，我們可以使用軟件名叫Filtering Solutions來靠計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。高性能鋁箔網(wǎng)絡(luò)如圖5：圖5 高性能濾波電路四、系統(tǒng)性能測試A系統(tǒng)自身噪聲測試將輸入端短接接地，系統(tǒng)用±15供電。放大器增益分別調(diào)整到40dB、60dB、80dB，用示波器來觀察輸出的噪聲電壓波形，并用Agilent 34401去測量噪聲電壓有效值，測量結(jié)果如下表1所示：表1 系統(tǒng)噪聲電壓的測試B零點(diǎn)漂移的校正測試保持輸入端短路時(shí),使用單片機(jī)去

9、控制的數(shù)字電位器，每次以20dB為步進(jìn)調(diào)整補(bǔ)償電壓, 更好的調(diào)抑制放大器不同增益下的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。在不同的情況下，用Agilent34401測量校正電壓有效值。測量結(jié)果如下表2所示：表2 零點(diǎn)漂移的校正測試C.系統(tǒng)增益的校準(zhǔn)測試將工作頻段設(shè)置在0 10MHZ，輸入信號頻率fi = 2MHz.分別在增益0dB、20dB、40dB、60dB、80dB調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)妮斎胄盘柗萔i，使用雙蹤到示波器觀察輸入和輸出， 記錄輸出信號幅值、將實(shí)際放大器增益和設(shè)定放大器增益進(jìn)行比較，結(jié)果如下表3所示：表3 系統(tǒng)增益測試D系統(tǒng)幅頻特性的測試調(diào)整輸入信號的幅值Vi 100 mVpp，頻率020MHz，增益AV 40

10、dB， 然后用示波器觀察不同頻率下的輸出信號VPP，并記錄，并且用MATLAB畫出幅頻特性曲線圖。如下圖6所示:五、結(jié)論在本文中，我們對超寬帶低噪聲直流放大器的主要技術(shù)進(jìn)行了研究闡述，介紹了基于超寬帶低噪聲前置放大器、LC濾波器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)控增益步進(jìn)可調(diào)和零點(diǎn)漂移校正電路的高性能放大器。采用D / A轉(zhuǎn)換器控制VCA810寬帶放大器,動(dòng)態(tài)增益080dB可調(diào),用電感、電容組成的貝塞爾濾波器達(dá)到了線性相位低噪聲0 10MHz的寬帶濾波。 并且與AD797構(gòu)成的低噪聲前置放大器相匹配，保證了等效的輸入噪聲小于7.2 Vrms。單片機(jī)是用來控制數(shù)字電位器X9C102輸出補(bǔ)償電壓實(shí)現(xiàn)直流零點(diǎn)漂移的調(diào)整。試驗(yàn)

11、結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的放大器具有低噪聲、偏置電壓小、性價(jià)比高，優(yōu)良的穩(wěn)定性和可靠性的特點(diǎn)。致謝對于Tiande Gao 和 Linwei Tao在實(shí)驗(yàn)中的幫忙，Zengxiang Fu 和 Hai Huang在此文上的建議,本人十分感謝！ 參考文獻(xiàn)1 RoMin Weng， Chun-Yu Liu, “A Low-Power Full-Band Low-NoiseAmplifier for Ultra-Wideband Receivers,” IEEE Trans。 On MicrowaveTheory and Techniques， Vol.58, No.8, pp.20772083， Aug

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