高频报告-可调增益宽带放大器设计Word下载.doc

高频报告-可调增益宽带放大器设计Word下载.doc

《高频报告-可调增益宽带放大器设计Word下载.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高频报告-可调增益宽带放大器设计Word下载.doc（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

输出信号

输入信号

固定增益

放大电路

可调增益

功率放大

电路

图表一系统设计框图

4、方案选择

4.1芯片类型选择

4.1.1AD603

AD603是一种具有程控增益调整功能的芯片。

它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放，它提供精确的引脚可选增益，90MHz带宽时增益范围为-11dB至+31dB，9MHz带宽时增益范围为+9dB至+51dB。

用一个外部电阻便可获得任何中间增益范围。

折合到输入的噪声谱密度仅为1.3nV/√Hz，采用推荐的±

5V电源时功耗为125mW。

两片AD603级联时，总增益的控制范围为84.28dB，因此符合增益可调，带宽较宽、低噪声的设计要求。

图1AD609引脚图

4.1.2AD811

AD811是一款宽带电流反馈型运算放大器，-3dB带宽为120MHz（G=+2），带宽达到35MHz（0.1dB,G=+2）。

低失真特性（带宽最高可达10MHz）和宽单位增益带宽，使AD811非常适合用作数据采集系统中的ADC或DAC缓冲器。

该放大器还具有1.9nV/√Hz的低电压噪声、20pA/√Hz的低电流噪声以及出色的直流精度。

但考虑到输出信号幅值随频率增大而减小，系统需采用数控电位计X9C102来实现可变增益放大，即依据输出信号频率的不同来改变数控电位计的值，以改变增益，实现增益可控的目的。

图2AD811引脚图

4.1.3VCA820

VCA820是高增益调节范围的宽带可变增益放大器，具有±

40dB的高增益调节范围，具有2.4nV/√Hz的低输入噪声电压，具有恒定带宽与增益，可达到35MHz。

温度稳定高，其增益与控制电压呈线性关系，但是电路稳定的线性特性很难控制，增益调节精度不高，芯片性价比不高。

且市面较难购得此款芯片，因此不采用这款芯片。

[3]

图3VCA820引脚图

4.1.4OPA690

OPA690是宽带电压反馈运算放大器，常用于高频小信号放大电路，单位增益稳定为500MHz，小信号输入时，当放大倍数大于10时，高频放大性能变差。

常用于高速成像通道、ADC缓冲器、便携式仪器等。

[4]增益与带宽关系如下：

表1OPA690增益和带宽的关系

增益

带宽（MHz）

图4OPA690引脚图

1

500

3

220

10

30

4.1.5OPA820

OPA820是单位增益稳定,低噪音电压反馈运算放大器，有一个很低的输入噪声电压和使用一个低的5.6mA供应电流产生高输出电流。

在单位增益里,当峰值<

1dB时OPA820给出一个>

800MHz的带宽。

在低功耗情况下，OPA820补充这一高速操作装置具有优良的直流精度。

最坏的情况下的偏置电压为±

750μV和偏置电流为±

400nA，它们给脉冲放大器应用程序一个优秀的绝对直流精度。

图5OPA820引脚图

4.2固定增益放大电路方案选择

4.2.1使用分立元件搭建共基极放大器

在三极管搭建的三类放大电路中，共基极放大器电压增益大，电流增益小，输出电阻小，适合于高频工作。

但由于设计要求为宽带放大器，要求带宽较高，故对于三极管型号的选择以及电路的搭建布线等都要求较大，实行起来比较困难。

4.2.2采用集成运算放大器

集成芯片电路简单，使用方便，性能稳定，超高速集成运放放大电路OPA690增益为63dB，具有1800V/μs的摆率。

单位增益带宽积为500MHz，3dB时带宽为220MHz，平坦度较好，符合相关要求，故选择此方案。

[5]

4.3功率放大器方案选择

4.3.1使用分立元件搭建功率放大器

这种采用多级分立高频的放大电路路缺点十分明显，由于线路比较复杂，相互之间的影响比较大，难以精确地对参数进行调节，设计要求的带宽难以保证，因此不采用此方案。

4.3.2采用集成运算放大器

THS3091驱动负载能力较大，是一个高电压，低失真，电流反馈运算放大器，该方法电路简单，增益可调，且可以通过运放并联的方法增加其驱动负载的能力，此方法电路简单，容易调试，故选择此方案。

4.4电源电路方案选择

该系统提供+5V单电源。

若采用单电源VCC供电，则需将运放的输入端的一端电压抬高为VCC/2，这样才能获得最大幅值，但是这样的设计方案会增加系统的复杂性，运放的工作电流会非常大，运放发热量大，使系统难以保证稳定工作。

为此，应采用双电源供电。

4.4.1方案一

如图6所示，采用两只阻值一样的大功率电阻，用电阻分压的方式获得正负电源，但是这种电路自身消耗大，阻值较大时带负载的能力又太弱。

图6电源设计方案一

4.4.2方案二

在方案一上加以改进，如图7增加两个三极管，加强了电路的带负载能力，其输出电流的大小取决于Q1和Q2的最大集电极电流ICM。

通过反馈回路可使两路负载不相同时也能保持正负电源基本对称，故采用此方案。

图7电源设计方案二

4.5稳压电路方案选择

由于宽带放大器的频率非常高，对电源的要求也十分苛刻，必须保证能提供低纹波的电源。

因此需要设计稳压电路。

4.5.1采用7905，7805芯片设计正直流稳压电源

此系列芯片最大输出电流1.5A，能满足系统的电源要求，但是该系列稳压芯片的输出纹波比较大。

4.5.2采用LM317和LM337和四输出变压器组成两组直流可调稳压电源

此系统调压范围在1.26-37V之间，纹波可低于4mv，最大输出电流为1.5A，带负载能力强。

可满足设计要求，故采用此方案。

5、理论分析与参数计算

5.1各级增益分配

本系统以可控增益放大器AD603为核心，两级级联其增益调节范围理论值为-20-60dB，其他各单元电路都是根据AD603性能进行设计。

由于中间级采用的可控增益放大器对输入、输出电压均有所限制，所以必须合理分配各级放大器的放大倍数。

由于单级AD603在90M输出模式下，其增益变化范围为-11dB到30dB，因此系统采用两片AD603做增益可控部分，理论增益为-22dB-60dB，所以前级放大和后级功放总的固定增益为22dB，这样系统的总增益为0-82dB。

由于输入和输出部分总增益为22dB，为留一定余地，选择将输入、输出部分总增益设为20dB,考虑到AD603的输出电压有所限制，且幅值不宜过大，因此第一级放大级采用OPA690构成增益为两倍的放大器，后级功率放大级采用具有高驱动能力的THS3091构成，其放大倍数为五倍。

5.2频带内增益起伏的控制

为了更好地保障系统工作的稳定性，需要使用高稳定性的宽带放大器，OPA690单位增益稳定为500MHz，THS3091在正常供电情况下，在65M内有低于0.1dB的增益起伏，因此满足要求。

5.3阻抗匹配

阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。

当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。

如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等（即不匹配）时，在负载端就会产生反射。

当阻抗不匹配时，便会导致放大器不工作甚至损坏。

可以通过在两级之间接入LC型电路，构成匹配网络，以实现阻抗匹配。

图8匹配网络

5.4放大器提高稳定性措施

本系统为宽带放大器，频率很高，并且放大倍数较大，为不影响宽带，采用多级级联，但是系统稳定性容易受到影响并且容易产生自激现象。

为了提高放大器的稳定性，必须要将供电电压滤波，否则容易混入高频噪声，这里我们通过屏蔽盒进一步对外界影响进行巩固。

系统的稳定性主要取决于系统的相位裕量，所以必须要留有适当的相位裕量。

在本系统中，将高频信号部分全部采用双面板印制，并且采用铜板大面积接地，减小接地回路，电容电阻全部采用贴片封装，减小元器件的影响。

[6]

6、电路设计

6.1前级固定增益放大电路

图9前级固定增益放大电路

6.2中间级增益可调放大电路

图10中间级增益可调放大电路

6.3后级功率放大电路

图11后级功率放大电路

7、电路仿真

输入为5MHz，振幅为1mv的正弦波。

7.1前级固定增益放大电路

第一级放大倍数约为2-3倍，基本符合预期结果。

图12前级固定增益放大电路仿真

7.2中间级可调增益放大电路

7.2.1

当频率为5MHz时中间级第一级增益为48dB，两级级联增益为74dB，但波形有所失真。

图135MHz中间级前级仿真

图145MHz中间级后级仿真

7.2.2

当频率为50MHz时中间级第一级增益为12dB，两级级联增益为45dB，增益不满足预期结果。

图1550MHz中间级前级仿真

图1650MHz中间级后级仿真

7.2.3

当频率为20MHz时，两级级联增益为60dB，当频率为30MHz时，两级级联增益为52dB，说明随频率增加增益减小，说明有效带宽较小。

图1720MHz两级级联仿真

图1830MHz两级级联仿真

7.3后级功率放大电路

7.3.1

经过后级功率放大后，波形失真严重，增益为76dB。

图19总电路波形仿真

7.3.2

若函数发生器直接接后级功率放大电路，波形没有失真，增益为13dB，基本符合预期要求。

图20后级功率放大电路仿真

8、结果分析

OPA690放大效果较好，可通过微调电阻调整其放大倍数；

单级AD603放大效果较好，但两级级联后，后级受前级影响，会导致结果有所偏差，主要表现在波形失真与增益达不到预期结果。

而后级功率放大电路单独运行无误，但在整个电路中却效果不佳，分析原因如下：

8.1系统稳定性不佳，导致波形失真。

8.2AD603输出波形不够理想导致放大后失真愈发显著。

8.3电路参数设置仍存在缺陷，导致放大器工作不够理想。

8.4缺少完备的抗干扰组成，导致前后级之间干扰严重，影响结果。

8.5缺少滤波结构，混入杂波，影响波形。

9、总结与思考

本次设计报告主要倾向于对可调增益宽带放大器的设计，在电路选择与芯片选择方面，主要考虑芯片的使用性能及使用频率，通过选择合适的电路与芯片，简化电路设计方案，有助于后续设计步骤的实现。

通过此次电路设计，学习了高频放大电路的设计以及可调增益放大电路的