寬帶前置放大電路(報(bào)告)

1、寬帶前置放大電路【摘要】：本系統(tǒng)設(shè)訃的寬帶前置放大電路山輸入阻抗匹配單元、無(wú)源衰減網(wǎng)絡(luò)、 有源放大電路三部分組成，帶寬可達(dá)40MH乙具有良好的直流和交流特性，輸入 阻抗匹配單元有50 Q和1MQ可選，山電阻電容組成的無(wú)源衰減網(wǎng)絡(luò)與后級(jí)相匹 配可實(shí)現(xiàn)不低于DC35MHz的1倍和10倍衰減，有源放大單元選用TI公司的 OPA690和THS4211可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)1倍、2倍、5倍、10倍放大，電路輸出電阻 近似為0。一、系統(tǒng)整體方案論證與比較題目要求有源放大電路采用正負(fù)5V供電，在正負(fù)5V電源及1M歐輸入阻 抗的條件下進(jìn)行1倍、10倍衰減，以及1、2、5、10倍有源放大，可供選擇方 案如下：方案一：為了

2、實(shí)現(xiàn)衰減和放大的功能，考慮直接選取可調(diào)增益的運(yùn)放實(shí)現(xiàn)， 如AD603o其內(nèi)部III R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，加在梯形網(wǎng)絡(luò) 輸入端的信號(hào)經(jīng)衰減后，山固定增益放大器輸出，衰減量是山加在增益控制接口 的電壓決定的，優(yōu)點(diǎn)是電路集成度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是此芯片的衰減量是山加 在增益控制接口的參考電壓決定的，要手動(dòng)精準(zhǔn)控制，難度大；梯形電阻網(wǎng)絡(luò)的 輸入阻抗低，不能滿足1MG的要求；且工作頻帶僅為50MHz,很難滿足題口工 作帶寬要求。方案二、根據(jù)題LI對(duì)電路衰減和放大倍數(shù)的要求，特別是工作頻帶高的要求, 采用寬帶運(yùn)放，如TI的OPA690、THS4211構(gòu)成后級(jí)有源放大環(huán)節(jié)，其增益帶 寬

3、積帶寬均在500M以上，滿足題LI要求的DC35M工作帶寬的要求，1、2、5、 10倍放大分開(kāi)，10倍放大采用5倍與2倍相乘的形式可以降低對(duì)單級(jí)運(yùn)放帶寬 的要求，無(wú)源衰減網(wǎng)絡(luò)采用電阻分壓構(gòu)成，采用電阻分壓不會(huì)限制輸入信號(hào)的帶 寬，阻抗匹配部分采用電阻串并聯(lián)形式。綜上所述：我們選擇方案二作為本次比賽的總體方案。二、系統(tǒng)整體框圖系統(tǒng)整體框圖如圖21所示。圖21系統(tǒng)整體框圖三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1、輸入阻抗及無(wú)源衰減部分設(shè)訃(1) 輸入阻抗匹配部分輸入阻抗要求最大允許誤差為2%,同時(shí)50Q輸入阻抗可承受5V的過(guò)載能 力。若采用單個(gè)電阻作為輸入，不僅沒(méi)有標(biāo)稱值為50Q的電阻，而且該電阻承 受的功率為：p=工

4、=丄w'502大于電阻的額定功率丄W,電阻會(huì)由于功率過(guò)大而毀壞，故考慮選用6個(gè)300Q 8電阻并聯(lián)組成的輸入電阻網(wǎng)絡(luò)，這樣輸入阻抗仍為50G,且每個(gè)電阻承受的功率 為：/w廠 2x612IMQ輸入阻抗直接采用單個(gè)IM Q電阻作為輸入電阻，題U要求能承受36V 輸入過(guò)載，當(dāng)輸入電壓為36V時(shí)，電阻承受的功率為：P, = ().(X)1296 W3 R 10滿足要求。(2) 無(wú)源衰減電路10倍衰減采用電阻吊聯(lián)分壓的形式，實(shí)際上一個(gè)電阻等效于一個(gè)電容， 一個(gè)電感，和一個(gè)電阻的串連，在低頻情況下電容和電感效應(yīng)表現(xiàn)不是很 明顯，而在高頻情況下，等效值會(huì)增大，不能忽略，小電阻在高頻時(shí)的寄生 電容比

5、大電阻小，本設(shè)計(jì)采用180Q和20Q電阻串聯(lián)進(jìn)行分壓實(shí)現(xiàn)10倍衰減。當(dāng)輸入電阻選為1MQ時(shí)，會(huì)與200Q的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)相并聯(lián)，致使輸入阻 抗降到199.96Q,所以在中間加入高速運(yùn)放AD811緩沖作為隔離，使前級(jí)輸入 阻抗與此無(wú)源衰減網(wǎng)絡(luò)相互不影響，山于輸入的大信號(hào)峰峰值達(dá)到10V,故運(yùn)放 AD811采用+/-15V供電。AD811在增益為1時(shí)具有140MHz的帶寬，不會(huì)限制 輸入信號(hào)的帶寬。采用二級(jí)管進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。輸入阻抗匹配和無(wú)源衰減部分的電路圖如圖3-1所示。圖3-1阻抗匹配及無(wú)源衰減網(wǎng)絡(luò)2、有源放大部分設(shè)計(jì)有源放大電路由放大倍數(shù)分別為1、2、5、10倍電路組成。采用同相輸入接 法，可提

6、高輸入阻抗，增大共模抑制比。且均采用題LI要求的+/-5V電源供電。（1）1倍放大電路1倍放大釆用ADI公司的高速運(yùn) 放AD811,增益為1時(shí)帶寬為140MHz, 壓擺率為2500V/ms,滿足題目 DC-35MHZ的帶寬要求，AD811為電 流反饋型運(yùn)放，其增益和帶寬是相互獨(dú) 立的，即其增益帶寬積不隨輸入信號(hào)頻 率的增高而減小。1倍放大電路電路圖 如圖3-2所示。（2）2倍放大電路圖32 1倍放大電路2倍放大釆用TI公司的低失真、高速電壓反饋型運(yùn)放THS4211搭建，采用 單端輸入方式，增益為2時(shí)帶寬為130MHz,根據(jù)芯片本身的特點(diǎn)前級(jí)匹配一個(gè)圖33 2倍放大電路圖180Q的輸入電阻，反饋

7、電阻R22的選擇，原則上不要超過(guò)100k,若阻值太大則 寄生的電感電容也會(huì)很大，會(huì)限制帶寬；甚至在反饋系數(shù)中引入低頻極點(diǎn)，使運(yùn) 放不穩(wěn)定，也不能太小，若阻值太小容易造成幅值過(guò)沖，根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)選擇 了 R22二R14310Q,放大倍數(shù)為+髡。2倍放大電路如圖3-3所示。（3）5、10倍放大電路5倍和10倍放大均采用TI公司的高速 寬帶放大器OPA690,其增益帶寬積為 500M,轉(zhuǎn)換速率為1800V/us,足以滿足題 目工作帶寬為DC10M的要求， 5倍放大部分采用OPA690單級(jí)放大，輸入 端匹配一個(gè)180Q的電阻，采用百歐數(shù)量級(jí) 的電阻作為作為反饋電阻。5倍放大電路圖 如圖3-4所示。1

8、0倍放大電路需達(dá)到DC35MHz的帶寬，采用兩級(jí)放大以降低電路對(duì)芯 片大帶寬和高轉(zhuǎn)換速率的要求。采用兩片TI公司的OPA690級(jí)聯(lián)放大，輸入到 前級(jí)運(yùn)算放大器的信號(hào)幅值較小，為了減小動(dòng)態(tài)誤差，采用前級(jí)放大5倍后級(jí)放 大2倍，根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)，在兩級(jí)級(jí)聯(lián)時(shí)匹配50Q電阻以防止電路自激。為 了減小電源和地線對(duì)高頻信號(hào)的干擾，電路加入去耦電容，信號(hào)的輸入輸出均采 用BNC接頭，用屏蔽線傳輸信號(hào)，以減小對(duì)信號(hào)的干擾，10倍放大電路圖如圖 3-5所示。圖3510倍放大電路圖四. 電路調(diào)試與測(cè)試1、電路調(diào)試電路調(diào)試采用逐級(jí)調(diào)試的方法。由于本題屬于高頻電路，易產(chǎn)生寄生電容和 噪聲等干擾，故調(diào)試過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。

9、（1）對(duì)無(wú)源衰減網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)試，剛開(kāi)始采用K歐級(jí)電阻分壓進(jìn)行10倍衰減誤 差較大，經(jīng)分析是山于高頻時(shí)大電阻的容性感性效應(yīng)比較明顯導(dǎo)致衰減比例嚴(yán)重 偏離設(shè)定值，改用口歐級(jí)電阻即為180Q和20Q后誤差較小，小電阻在高頻時(shí)雖 然也有容性和感性效應(yīng)但沒(méi)有大電阻明顯故采用小電阻分壓來(lái)減小誤差。（2）對(duì)1倍放大電路進(jìn)行調(diào)試。接通信號(hào)源，用示波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤，不斷 改變信號(hào)源輸入頻率，觀察示波器輸出波形的變化。在調(diào)試的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，輸入 低頻信號(hào)的情況下輸出幅值符合1倍放大要求，當(dāng)頻率升高到10MHz后過(guò)沖明 顯增大，甚至輸出信號(hào)幅度成倍增長(zhǎng)，當(dāng)頻率增加到20MHz左右時(shí)，輸出幅值 回落到理論值。經(jīng)過(guò)分析，

10、寬帶放大器在高頻時(shí)如果輸入電阻和反饋電阻的阻值 選擇不好將達(dá)不到芯片最佳的工作性能，高頻時(shí)電阻寄生電容值增大，使運(yùn)放放 大倍數(shù)偏離實(shí)際值，通過(guò)更換輸入和反饋電阻，解決上述問(wèn)題。隨著信號(hào)頻率的增加，輸出幅度的衰減趨勢(shì)明顯，而解決這個(gè)問(wèn)題的方法是 在運(yùn)放的反饋電阻上并一個(gè)5pF的小電容，作用是與電路寄生電容相抵消，這樣 1倍放大調(diào)試基本完成，輸出符合要求。用此方法對(duì)2倍、5倍放大電路輸岀的 過(guò)沖和衰減進(jìn)行調(diào)試，經(jīng)過(guò)測(cè)量一調(diào)整一再測(cè)量一再調(diào)整的反復(fù)過(guò)程，達(dá)到題LI要求。2、電路測(cè)試(1)測(cè)試工具：RIGOL DG1022型信號(hào)源EE1051型高頻信號(hào)發(fā)生器TDS1002型數(shù)字示波器VICTOR815

11、5型高精度數(shù)字萬(wàn)用表(2)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)測(cè)試與分析1、數(shù)據(jù)測(cè)試對(duì)輸入阻抗的測(cè)量：直接用高精度數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)輸入阻抗進(jìn)行測(cè)量，接通選擇不 同輸入阻值的開(kāi)關(guān)，測(cè)得誤差均在2%以內(nèi)。過(guò)載能力的測(cè)試：輸入端加入了二級(jí)管進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)當(dāng)輸入電壓大于+15v或小 于-15v時(shí)電壓就會(huì)被鉗位在+/-15v,使輸入到后級(jí)電壓不會(huì)超過(guò)+/-15vo直流零點(diǎn)的測(cè)試：在輸入短路時(shí)，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)得的電路輸出直流電壓為 0.800niVo頻率特性測(cè)試: 表1大信號(hào)衰減10倍帶寬特性輸入信號(hào)峰值：5V輸入阻抗：1MQ最大衰減：2%最大過(guò)沖：0.4%頻率(Hz)1100K500K1M5M10M12M13M輸出幅度(mV )5005

12、01501500502490490502表2 2倍放大帶寬特性輸入峰值為：0.5V輸入阻抗：1MQ最大衰減為：0最大過(guò)沖為：4%頻率(Hz)1100K500K1M5M10M15M20M輸岀幅度(V)1.001.021.011.011.031.041.021.04表3 5倍放大帶寬特性輸入峰值為：0.2V輸入阻抗1MQ最大衰減為:1%最大過(guò)沖為：6%頻率(Hz)1100K500K1M5M10M15M20M輸岀幅度(V)1.001.001.021.011.021.041.060.99表410倍放大帶寬特性輸入阻抗1MQ 最大過(guò)沖為：3%輸入峰值為：0.1V 最大衰減為：7%頻率（Hz）1100K5

13、00K1M5M10M15M20M輸出幅度（V）1.011.011.001.001.011.030.930.93表5大信號(hào)1倍放大擴(kuò)展寬帶特性輸入峰值:IV輸入阻抗1MQ最大衰減為5%最大過(guò)沖為:1%頻率(Hz)1100K500K1M5M10M15M20M30M30M35M幅) fLi'(v 輸度1.001.001.001.001.011.000.950.96表6小信號(hào)擴(kuò)展帶寬特性（輸入峰值為0.1V時(shí)，電路設(shè)置衰減10倍，再放大10倍） 輸入峰值：0.1V輸入阻抗1MQ最大衰減為：9%最大過(guò)沖為：3%頻率 (Hz)1100k500kIM5M10M15M20M30M36M40M輸出幅 度（mV ）101101101100103102999310095912、數(shù)據(jù)分析（1）2倍、5倍、10倍放大輸出帶寬均可達(dá)到20MHz,超出題LI發(fā)揮部分10MHz 的要求。輸出信號(hào)峰值最大過(guò)沖在3%以內(nèi)，最大衰減在9%以內(nèi)，滿足題口最 大過(guò)沖15%最大衰減10%的要求。（2）大信號(hào)10倍衰減信號(hào)輸出帶寬可達(dá)13M,超出題目10MHz的要求。輸出 信號(hào)峰值最大過(guò)沖在0.4%以內(nèi)，最大衰減在2%以內(nèi)