高增益宽带放大器的研究与设计.doc

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南京师范大学中北学院

毕业设计（论文）

（2013届）

题目：

高增益宽带放大器的研究与设计

专业：

电子信息工程

姓名：

XXX学号：

XXX

指导教师：

王兴和职称：

教授

填写日期：

2013-5-10

南京师范大学中北学院教务处制

26

摘要

在无线通信系统中，高增益宽带放大是其重要的组成部分，它性能的好坏对整个系统起着重要的的作用。

随着通信技术的发展，军用和民用对其提出了更高的要求，对射发系统的研制提出了更高的要求甚至是全新的要求。

文章介绍了一种基于模拟运算放大器实现的增益可控的宽带放大器。

该器件由三个部分组成，第一部分由运算放大器OPA2613组成，第二部分中间级连续可调增益由放大器OPA842完成，第三部分功放由AD811完成。

工作频带宽可达3.9MHZ，增益调节0dB-53dB。

放大器噪声小,动态范围宽。

在通频带内增益起伏为1dB左右。

通过反馈电阻可调，可实现增益的变化。

通过Multisim的仿真能达到良好的效果。

整个系统工作可靠，稳定，而且成本低效率高。

关键词：

OPA2613OPA8421AD811可控增益带宽放大器

ABSTRACT

Inawirelesscommunicationsystem,high-gainbroadbandamplificationisanimportantpartofthat,Itisgoodorbadperformanceofthewholesystemplaysanimportantrole.Withthedevelopmentofcommunicationtechnology,militaryandcivilianputforwardhigherrequirementsforit,Hairontheradiosystemdevelopmentputforwardhigherrequirementsevenentirelynewrequirements.

Thispaperpresentsasimulation-basedoperationalamplifiergaincontrolledwidebandamplifier.Thedeviceconsistsofthreeparts,thefirstpartoftheoperationalamplifierOPA2613,andthesecondpartoftheintermediatestageadjustablegainamplifierOPA842completedbythethirdpartoftheamplifierbytheAD811iscompleted.Frequencybandupto3.9MHZ,gainadjustment0dB-53dB.Amplifiernoise,widedynamicrange.Upsanddownsinthepassbandgainisabout1dB..Adjustablethroughthefeedbackresistor,thegainvariationcanbeachieved.ByMultisimsimulationcanachievegoodresults.Thewholesystemisreliable,stableandcost-inefficientrate.

Keywords:

OPA2613OPA8421AD811ControllablegainBandwidthamplifier

目录

第一章绪论 5

1.1高增益带宽放大的研究意义 5

1.2国内外研究的现状 5

1.3研制难度和未来发展趋势 5

第二章带宽放大的主要指标和常见问题 6

2.1工作频带宽度 6

2.2电路的增益 6

2.3非线性失真 7

2.4自激振荡 9

2.4.1自激振荡的条件 9

2.4.2稳定工作的条件及稳定分析 9

2.4.3消除自激振荡的方法 9

2.5噪声干扰 10

2.5.1放大电路的噪声 10

2.6电源电压的波动 10

第三章芯片的介绍 12

3.1OPA2613的芯片简介 12

3.1.1芯片说明 12

3.1.2工作参数 12

3.2OPA842的芯片简介 12

3.2.1芯片说明：

12

3.2.2典型特征 12

3.3AD811的芯片简介 13

3.3.1芯片说明 13

3.3.2典型特征 13

第四章带宽放大器的硬件实现 14

4.1系统的设计及其理论分析 14

4.1.1系统的总体设计 14

4.1.2系统的分块分析 14

第五章硬件电路的测试 20

5.1测试条件 20

5.2测试方案及其数据 20

结束语 22

致谢 23

参考文献 24

附录 25

附录1高增益带宽电路图 25

附录2元器件清单 26

第一章绪论

1.1高增益带宽放大的研究意义

随着微电子技术的发展，可变增益放大器是无线通信系统中必不可缺的重要模块，典型地应用在自动增益系统反馈回路中。

它根据接收到的信号强弱，不断的进行手动增益调节，已获得足够大的信号。

高增益和带宽往往是矛盾的，由于大电路存在电抗性原件（如耦合电容和旁路电容）及三极管的极间电容，他们的电抗能力随着信号频率变化而变化。

因此，放大电路对不同频率的信号具有不同的放大能力，其增益的大小和相移均会随频率变化而变化，即增益是信号的频率的函数。

增益的增加往往以牺牲带宽为目的。

为了克服以上局限，需要电路优化兼顾制造工艺，才能设计出高性能的带宽放大器。

因此此课题具有一定的研究意义。

1.2国内外研究的现状

放大电路发展到现在，有许多种类和应用，模电教科书就介绍过，共基级，共集电极，共发射级。

随着科学技术的发展，带宽放大器有了很大的变化，已经广泛应用于军用，民用通信，现在对带宽和放大倍数有了跟高的要求。

随着功放相关理论的进一步发展，更优的带宽放大器会出现，并应用于无线电通信。

5G网络是当前国际上一项需要发展的热门技术。

13年5月13号三星电子通过研究和实验，在28GHz的超高频段，以每秒1Gb以上的速度，成功实现了传送距离在2Km范围内的数据传输。

1.3研制难度和未来发展趋势

高增益带宽放大研制的一大难点是线性度的提高，高线性放大器是放大器的一个明显趋势。

目前针对高线性的研究，已经成为热点，随着科学技术的发展，出现了许多新技术和新颖的方案，与传统的带宽窄，放大倍数底的方法相比有了很好的进步，而且放大芯片的集成度越来越高，体积也越来越小。

可见，未来的带宽放大器会朝着高效率，高带宽，高线性发展。

第二章带宽放大的主要指标和常见问题

2.1工作频带宽度

带宽放大的工作频率常用倍频表示。

在输入信号幅值保持不变的情况下，增益下降3dB的频率点，其输出功率等于中频区输出功率的一半，通常称为半功率点。

一般把频率响应的高低二个半功率点间的频率差定义为放大电路的带宽或通频带。

2.2电路的增益

放大电路一般有四种电压放大电路、电流放大电路、互阻放大电路、互导放大电路，对应的放大有电压放大Av,电流放大Ai，互阻放大Ar及互导放大Ag。

他们实际反应放大电路在输入信号控制下，将供电能源能量转化为能量信号的能力。

其中Av和Ai二种无量纲增益，在工程上常用10为底的对数增益表达，其基本单位为贝尔（Bel,B），平时用它的十分之一单位“分贝”（dB）。

这样分贝表示的电压增益和电流增益分别表示如下：

电压增益=20lg|Av|dB

电流增益=20lg|Ai|dB

由于功率与电压（或者电流）的平方成比例，因而功率增益表示为：

功率增益=10lgApdB

电压增益和电流增益之所以采用绝对值，是考虑到在某些情况下Av或Ai为负数，这意味着输出与输入之间的相位关系为180°，这与对数的增益为负值的意义不同，二者不能混淆。

例如，当放大电路的电压增益为-20dB时，表示信号电压经过放大电路后，衰减为原来的1/10，即|Av|=0.1。

用对数方式表达放大电路的增益之所以在工程上得到广泛的应用是由于：

（1）当用对数坐标表达随增益变化的曲线时可能扩大增益变化的视野；

（2）计算多级放大电路的总增益时，可将乘法化为加法进行运算。

上述二点有助于简化电路的分析和设计过程。

图2-1电压放大电路

图2-2电流放大电路

2.3非线性失真

放大电路对信号的放大应该是线性的。

输出电压Vo和Vi具有线性关系，如电路图2-3所示输出应该是输入的10倍。

然而，实际的放大电路并不如此。

由于构成放大电路的元器件本身是非线性的，加之放大电路工作电源受到有限电压的影响限制，所以，实际的传输特性不可能达到理想情况。

由此表明放大电路的增益不能保持恒定，随输入信号的变化而变化。

由于放大电路这种非线性特性引起的失真称为非线性失真。

图2-3测试电路

测试一：

输入频率为1KHz，振幅为1Vp的正弦波。

示波器输入输出如图2-4

通道A输出（黑线）通道B输入（红线）

图2-4输入输出波形图

测试二：

输入频率为1MHz，振幅为1Vp的正弦波。

示波器输入输出如图2-5

通道A输出（黑线）通道B输入（红线）

图2-5输入输出波形图

从电路图2-4和电路图2-5可以看出当输入信号频率改变时，输出的放大倍数变小了而且向位移动了，由此可以看出放大电路受到本身器件的影响

2.4自激振荡

2.4.1自激振荡的条件

自激振荡的条件为|AF|=1和arg（AF）=φA+φF=±（2n+1）π（n=0，1，2，…）上述公式是在负反馈的基础上推导出来的，相应条件是在-180°的基础上（中频时Uo与Ui反相）所产生的附加相移Δφ。

2.4.2稳定工作的条件及稳定分析

根据AF的幅频和相频波特图来判断，设G（dB）=20lg|AF|dB。

（1）当Δφ=-180°时（满足相位条件）：

若G<0，则电路稳定；若G≥0（满足幅度条件），则自激。

（2）当|AF|=1，即G=0dB时（满足幅度条件）：

若|Δφ|<180，移相不足，不能自激；若|Δφ|≥180°，满足相位条件，能自激。

用上述二个方法中任何一个判断均可，需要注意的是，当反馈网络为纯电阻时，反馈系数F为实数。

2.4.3消除自激振荡的方法

自激振荡有幅度条件和相位条件，只要能够使其中的一个条件不符合，电路就可以稳定地工作。

（1）主极点补偿

方法一：

增加主极点在反馈环路中增加一个主极点，并使它远离第二个极点，从而改变环路增益的频率特性，实现频率补偿。

方法二：

改变主极点与前一种方法相比，这种方法在补偿前，后极点的个数不变，只是把原来的主极点左移，使之远离其他极点，直到|AF|波特图上的第二个极点不超过0dB线为止

（2）密勒补偿

主极点补偿中所用的电容和电阻都比较大，在集成电路内部使用比较困难，这