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宽带前置放大电路
宽带前置放大电路
摘要:
该宽带前置放大电路,具有较宽的频带范围内具有良好的直流和交流特性,电路包括输入阻抗匹配、无源衰减网络、有源放大等环节,采用单端输入单端输出方式实现信号变换。
输入阻抗匹配单元有50Ω和1MΩ两种数值可选;无源衰减网络单元可以在输入阻抗不变的前提下实现对信号1倍或10倍衰减;有源放大单元可以实现1、2、5、10、20、50、100倍放大,电路输出电阻近似为0。
它具有交流耦合直流耦合切换功能,可选则触发信号输出,并可设置上升沿或者下降沿触发,触发电平可调。
关键词:
宽带放大、衰减网络、阻抗变换、触发
一、设计任务:
1、任务
设计一个前置放大电路,使其在较宽的频带范围内具有良好的直流和交流特性,电路包括输入阻抗匹配、无源衰减网络、有源放大等环节,采用单端输入单端输出方式实现信号变换。
输入阻抗匹配单元有50Ω和1MΩ两种数值可选;无源衰减网络单元可以在输入阻抗不变的前提下实现对信号1倍或10倍衰减;有源放大单元可以实现1、2、5、10倍放大,电路输出电阻近似为0。
图1系统框图
2、要求
2.1基本要求
(1)输入阻抗:
直流输入阻抗可以50Ω和1MΩ可选,允许误差2%。
过载能力:
50Ω阻抗可承受5V输入过载,1MΩ阻抗可承受36V输入过载,过载时间不少于1分钟。
(2)直流零点:
输入短路时,电路输出直流电压偏离零点在3mV范围内。
(3)大信号1倍放大带宽特性:
输入峰值为1V的正弦信号,电路的工作带宽不低于DC~10MHz。
(4)大信号衰减10倍带宽特性:
输入峰值为5V的正弦信号,电路的工作带宽不低于DC~10MHz。
2.2发挥部分
(1)2倍放大带宽特性:
输入峰值为0.5V的正弦信号,放大2倍,电路的工作带宽不低于DC~10MHz。
(2)5倍放大带宽特性:
输入峰值为0.2V的正弦信号,放大5倍,电路的工作带宽不低于DC~10MHz。
(3)10倍放大带宽特性:
输入峰值为0.1V的正弦信号,放大10倍,电路的工作带宽不低于DC~10MHz。
(4)大信号1倍放大扩展宽带特性:
输入峰值为1V的正弦信号,电路的工作带宽不低于DC~35MHz。
(5)小信号扩展带宽特性:
输入峰值为0.1V时,电路设置衰减10倍,再放大10倍,电路的工作带宽不低于DC~35MHz。
(6)输出信号的幅度过冲可控制在理论输出值的15%内。
(7)特色创新。
二、方案论证
1、方案比较
根据题目要求设计一个前置放大电路,使其在较宽的频带范围内具有良好的直流和交流特性,电路包括输入阻抗匹配、无源衰减网络、有源放大等环节,采用单端输入单端输出方式实现信号变换。
输入阻抗匹配单元有50Ω和1MΩ两种数值可选;无源衰减网络单元可以在输入阻抗不变的前提下实现对信号1倍或10倍衰减;有源放大单元可以实现1、2、5、10倍放大,电路输出电阻近似为0。
方案一:
由于要求直流输入阻抗可以50Ω和1MΩ可选,并且无源衰减网络单元可以在输入阻抗不变的前提下实现对信号1倍或10倍衰减,故可设计两个1倍或10衰减网络,一个输入阻抗为1MΩ,另一个为输入阻抗50Ω,通过开关K1-1和K1-2切换。
可变增益放大器部分通过开关切换宽带高速放大器反馈电阻实现1倍、2倍、5倍、10倍放大(如图2)。
图2方案一原理框图
方案二:
对于1倍或10倍衰减可直接通过一个输入阻抗为1MΩ的衰减网络实现,而50Ω的输入阻抗可通过开关K1切换在1MΩ的网络上并联一个50Ω电阻实现,在高阻衰减网络之后是1MΩ到50Ω阻抗变换电路,随后是两级增益固定的宽带放大器,增益分别为5倍和2倍。
通过开关K2-1、K2-2、K3-1和K3-2切换实现1倍、2倍、5倍、10倍放大(如图3)。
图3方案一原理框图
对于方案一中输入阻抗匹配、无源衰减网络部分需要两个单元电路实现,但低阻衰减器需要高精度的非标电阻,而且该电阻需能承受5V过压,所以低阻衰减网络实现有一定困难,而方案二中可使用串并联的方式得到大功率50Ω电阻,该50Ω与1MΩ并联后为49.998Ω,在允许误差范围内,故方案二可选;可变增益放大器部分,通过切换反馈电阻方式虽然简单,对于高速放大器来说并不理想,因为高速放大器的不同增益条件下输入电阻和反馈电阻应严格匹配才会取得好的效果,而方案二中每一级为固定增益放大器,通过开关切换实现2倍、5倍、10倍放大,其中阻抗变换部分即为1倍放大。
通过上述比较,我们选择方案二来实现题目的任务要求。
2、总体方案确定
通过方案比较论证,我们选择方案二作为基本方案,根据题目任务要求可以看出,该放大器将主要应用于示波器的前置模拟通道的信号处理,基于此,我们在选定方案基础上加入了交、直流耦合切换、触发信号输出等功能(如图4),并且将放大倍数扩大到了100倍,按1、2、5、10步进。
图4总体方案框图
三、分析与计算
根据上述确定的总体方案对单元电路进行分析计算。
1、衰减器及阻抗匹配
输入衰减器用来衰减输入信号,以保证显示在显示屏上的信号不致因过大而失真,它常由RC电路组成,其原理图如图5。
当K1断开时输入电阻为1MΩ,当K1闭合时输入电阻为50Ω。
通过方案论证中的计算,输入阻抗在允许误差范围内。
任务要求50Ω阻抗可承受5V输入过载,1MΩ阻抗可承受36V输入过载、那么这个50Ω电阻的额定功率应不小于0.5W,1MΩ电阻额定功率应不小于0.0013W,设计时可通过8个1/8W100Ω以串并联形式组成50Ω,等效50Ω电阻额定功率为1W,1MΩ使用1/8W电阻则可以满足任务要求。
图5高阻衰减器及阻抗匹配原理图
1.1频域分析
在K1断开时,该网络的传递公式如公式1所示。
公式1
在该传递函数中包含三个环节,分别为比例环节、一阶微分环节和惯性环节。
在比例环节中比例系数K=R2/(R1+R2),微分环节转折频率ω1=1/(R1C1),惯性环节的转折频率ω2=(R1+R2)/[R1R2(C1+C2)]。
由比例环节可以得出,衰减量为输入的K倍。
当
时,ω1>ω2该网络处于欠补偿状态;当
时,ω1<ω2该网络处于过补偿状态;当
时,该网络处于临界补偿状态。
用MATLAB对该传递函数进行仿真(如图6)。
图6衰减网络MATLAB频域仿真波特图
从图中可以看出当衰减网络处于欠补偿和过补偿状态时,曲线的两个转折频率分别为一阶微分环节和惯性环节的转折频率ω1、ω2。
当衰减网络处于临界补偿时,网络带宽趋于无穷。
1.2时域分析
可以在阶跃信号激励下分析时域特性。
该网络传递函数阶跃信号激励响应函数如公式2:
公式2
对其做拉普拉斯反变换得到时域响应,如公式3:
公式3
其中
公式4
用MATLAB中的Simulink进行时域分析,如图7所示波形均为阶跃信号激励时域响应。
图7衰减网络Simulink时域仿真图
通过上述分析计算可知,衰减网络的直流输入阻抗以及衰减比由电阻R1、R2决定,取R1=900k、R2=100k、C2=100pF,理论上C1=11.1pF,但考虑到放大器输入电容和PCB分布电容影响,C1取5pF和一个2-10pF的可调电容并联,通过调节可调电容使衰减网络趋于临界补偿状态(该部分原理及详细参数见图9)。
2、阻抗变换器
阻抗变换器需要高输入阻抗、低输入偏置电流的宽带放大器,而且题目要求输入短路时,电路输出直流电压偏离零点在3mV范围内,也就是说该放大器的输入失调电压要小于3mV。
TI公司生产的运算放大器OPA656可满足上述要求。
OPA656场效应管输入电压反馈型宽带运算放大器,该放大器具有500MHz的单位增益带宽、2pA的低输入偏置电流以及±0.25mV低失调电压和漂移。
这样一款高性能的放大器作为第一级的阻抗变换是非常适合的,阻抗变换电路如图8
(1)所示。
其中D3、D4为输入保护二极管,防止输入端电压过高烧毁器件。
放大器接成电压跟随器,即作为1倍放大器。
3、有源放大器
有源放大器需要足够的带宽和增益,最为合适的就是电流反馈型运算放大器。
因为电流反馈型运算放大器的具有随着增益增大,而频率特性的劣化程度变小的优点。
AD8009是一个超高速电流反馈放大器,具有5500V/μs的转换速率;在增益为2和10的时候分别具有440MHz和320MHz大信号带宽,增益为1和2的时候分别具有1GHz和700MHz的小信号带宽(-3dB);该放大器具有极低的失真度:
SFDR:
–44dBc@150MHz,G=+2,Vo=2Vp-p;它具有175mA负载电流的高输出驱动能力,而且能同时保持0.02%的低增益误差和0.04°的相位误差。
这款放大器来实现宽带有源放大是非常适合的。
2倍放大如图8
(2)所示,其他放大倍数元件参数见图9。
增益调节控制通过如图4总体方案框图中的双刀双掷继电器K3-K5控制。
例如设置为两倍放大,则需将K5闭合,其他断开即可。
同理可实现×1、×2、×5、×10、×20、×50、×100等倍数的放大。
图8
(1)阻抗变换原理图和
(2)有源放大原理图
4、工艺设计
4.1整体设计
采用全金属结构外壳,一方面,可以利用金属外壳起到很好的屏蔽作用,确保内部电路免受外部信号的干扰;另一方面,可以保证电路的整体牢固性。
由于示波器和信号源的输入输出接口都是采用标准的BNC接头,所以电路与外接信号的连接方式就直接采用BNC接口输入输出,将BNC接头直接固定在金属外壳上,通过一节很短的引线与电路的信号输入输出端相连。
4.2PCB设计
在阻抗变换器电路的设计中,版图的布局及布线方式对性能的影响非常大,特别是1MΩ/10倍衰减器部分,这部分器件必须严格遵循引线尽量短、分布参数尽量小的基本原则,挖空高阻器件安装位置下面的大面积地或者电源的布线层,来减小分布电容,降低自激震荡产生几率。
高频信号的走线应与地层相邻;相邻两层之间的走线方向要互相垂直,以防止互相感应产生串扰。
尽量减少信号线近距离平行走线方式,避免由此引入的交叉干扰。
无法避免时,也要保证所有平行信号线之间要尽量留有较大的间隔,以减少串扰。
如果有两条相距较近的高频信号线,最好在两线之间走一条接地线,可以起到屏蔽的作用。
或在相邻层布置大面积地来大幅度减少干扰。
缩短信号走线的长度是保持信号完整性的最有效方法。
在电路走线的设计过程中,应遵循连线距离优先的原则,把连线关系密切的元器件尽量放在一起,降低传输损耗,减小引线电感对传输信号的影响;合理进行关键元器件版图位置的布局,减少相互之间信号的干扰和串扰。
使用特性阻抗匹配的微带线和带状线,来减小信号传输的延迟时间,控制信号的反射和震荡。
在设计信号传输线时要避免急转弯,以防止传输线特性阻抗的突变而产生反射,要尽量设计成具有一定尺寸的均匀圆弧线。
对于不可避免的长线传输,配以并联或是串联端接传输方式,来获得最佳的电性能和控制过冲、振铃的幅度。
整体PCB采用全贴片工艺,各个功能切换开关使用松下公司生产的TQ-2 5V小信号继电器,保证信号传输质量。
由于模拟信号放大器对电源要求平稳、纹波小,所以对电路中各个运放的电源滤波要给予足够的重视,如图8每个放大器的电源引脚都用磁珠和电容进行滤波处理。
四、总电路图及元器件清单
1、总电路图
图9总原理图
2、元件清单
元器件及PCB板总价格(见表1)为173.05元,铝合金机壳32元,总成本为205.05元。
表1元件清单
型号
封装
单价
数量
价格
型号
封装
单价
数量
价格
电容
0805
0.05
43
2.15
BNC
3
3
9
电阻
0805
0.05
50
2.5
可调电容
2
1
2
100uF/16V
7243
5
4
20
磁珠
0.3
9
2.7
10uF/16V
1206
0.6
6
3.6
LED
Ф3
0.2
2
0.4
4u7/16V
1206
0.6
5
3
220uH
2
2
4
三极管8050
SOT-23
0.1
8
0.8
50K电位器
1.5
1
1.5
1N4148
0805
0.1
9
0.9
TQ-25V
DIP10
4.5
8
36
1N60
0805
0.5
2
1
开关
1
6
6
OPA656
SO-8
15
1
15
接插件
0.2
9
1.8
AD8009
SO-8
14
3
42
PCB
145*75
0.08/cm2
108.75
8.7
MAX9202
SO-14
10
1
10
五、测试
1、输入阻抗
1.150Ω输入阻抗测试方法
由于50Ω的输入阻抗相对于测试设备的输入阻抗较低,所以我们可以直接在输入端测量,如图10,在K断开的情况下分别测得A、B两点电压UA、UB,通过公式5则可计算出输入阻抗。
公式5
实际在放大器输入端输入一直流电压,测得数据UA=0.32347V、UB=0.16196V,RS=50Ω,据此计算得ri=50.14Ω,误差为0.28%,满足题目要求。
1.21MΩ输入阻抗测试方法
由于1MΩ的输入阻抗较高,与测量设备的输入阻抗相当,若使用50Ω输入阻抗测试方法,则会引入较大的测量误差,这时我们选择隔离法测量(如图10)。
在不改变输入信号大小时情况下,显然K的闭合与否作用于放大器输入端信号电压的大小是不一样的。
设:
K闭合时输出电压为Uo。
K开路时输出电压为Uo’,根据Rs、Uo和Uo’可求得ri
公式6
图10输入阻抗测量方法
在放大器输入端输入一稳定的直流电压,通过上述测量方法测得,Uo=0.48977V、Uo’=0.44529V,RS=100kΩ,据此计算ri=1.0011MΩ,误差为0.11%,满足题目要求。
2、直流零点
输入短路时,电路输出直流电压为-0.100mV,满足要求直流电压偏离零点在3mV范围内。
3、带宽特性
测试方法:
由于题目要求电路输出电阻近似为0,所以输出必须是放大器直接输出,但高速放大器带容性负载时容易引起震荡,而且增益平坦度会有很大变化,故测试时在输出端串联一个50Ω电阻(如图11),通过50Ω同轴电缆接入示波器,同时示波器的输入阻抗设置为50Ω,这样在示波器上读出的电压应等于放大器实际输出的电压的1/2,通过此方法测量出的放大器数据见表2-表7。
图11带宽特性测试方法
以下测试输出电压Uo均已换算成放大器直接输出信号的峰峰值,ΔUo为与理论输出值比较的相对偏差。
3.1大信号1倍放大带宽特性
大信号1倍放大带宽特性测试数据见表2,输入信号峰峰值为2.05V。
表2大信号1倍放大带宽特性测试数据
f
DC
1kHz
100kHz
1MHz
5MHz
10MHz
20MHz
30MHz
35MHz
80MHz
Uo/V
2.08
2.04
2.04
2.04
2.04
2.08
2.14
2.20
2.24
1.92
ΔUo/V
1.5%
-0.5%
-0.5%
-0.5%
-0.5%
1.5%
4.4%
7.3%
9.3%
-6.3%
3.2大信号衰减10倍带宽特性
大信号衰减10倍带宽特性测试数据见表3,输入信号峰峰值为10.2V。
表3大信号衰减10倍带宽特性测试数据
f
DC
1kHz
100kHz
1MHz
5MHz
10MHz
20MHz
30MHz
35MHz
80MHz
Uo/V
1.048
1.024
1.080
1.088
1.084
1.092
1.088
1.024
1.04
1.024
ΔUo/V
2.7%
0.4%
5.9%
6.7%
6.3%
7.1%
-1.2%
0.4%
2%
0.4%
3.32倍放大带宽特性
2倍放大带宽特性测试数据见表4,输入信号峰峰值为1.03V。
表42倍放大带宽特性测试数据
f
DC
1kHz
100kHz
1MHz
5MHz
10MHz
20MHz
30MHz
35MHz
80MHz
Uo/V
2.02
2.04
2.02
2.02
2.02
2.04
2.04
1.96
1.92
1.84
ΔUo/V
-1.9%
-1.0%
-1.9%
-1.9%
-1.9%
-1.0%
-1.0%
-4.9%
-6.8%
-10.7%
3.45倍放大带宽特性
5倍放大带宽特性测试数据见表5,输入信号峰峰值为0.41V。
表55倍放大带宽特性测试数据
f
DC
1kHz
100kHz
1MHz
5MHz
10MHz
20MHz
30MHz
35MHz
80MHz
Uo/V
2.04
2.06
2.00
1.992
1.984
1.972
1.944
1.920
1.920
2.28
ΔUo/V
-0.5%
-0.5%
-2.4%
-2.8%
-3.2%
-3.8%
-5.2%
6.3%
6.3%
11.2%
3.510倍放大带宽特性
10倍放大带宽特性测试数据见表6,输入信号峰峰值为0.204V
表610倍放大带宽特性测试数据
f
DC
1kHz
100kHz
1MHz
5MHz
10MHz
20MHz
30MHz
35MHz
80MHz
Uo/V
2.08
2.12
2.04
1.984
1.980
1.960
1.92
1.88
1.86
1.92
ΔUo/V
2%
3.9%
0.0%
-2.7%
-2.4%
-3.9%
-5.9%
-7.8%
-8.8%
-5.9%
3.6小信号扩展带宽特性
小信号扩展带宽特性测试数据见表7,输入信号峰峰值为2.04V。
表7小信号扩展带宽特性测试数据
f
DC
1kHz
100kHz
1MHz
5MHz
10MHz
20MHz
30MHz
35MHz
80MHz
Uo/V
0.214
0.219
0.220
0.220
0.218
0.212
0.208
0.202
0.200
0.1864
ΔUo/V
4.9%
5.9%
7.8%
7.8%
6.9%
3.9%
2.0%
-1.0%
-2.0%
-8.6%
4、测试设备
信号源:
DG3101A;示波器:
TDS3054B;频谱分析仪:
HM5011;万用表:
Agilent34401A。
六、创新
由于该放大器主要应用于示波器的前置模拟通道的信号处理,因此我们在设计时加入了交、直流耦合切换、触发信号输出等功能(如图4),其中触发功能可实现上升沿和下降沿触发,并且触发电平可调。
有源放大器可选择×1、×2、×5、×10、×20、×50、×100等放大倍数档位,具体实现方案见图9。
七、心得体会
通过该题目的设计制作,使我们对宽带放大器的结构及特性更加了解;对于高阻衰减网络的理论分析更加透彻,体会到了高速模拟信号传输中阻抗匹配的重要性,学习了高速PCB布线中应该注意的种种问题。
通过比赛我们都体会到了团队合作的重要性。
这里我们还要感谢大赛组委会给了我们一次实践的机会,感谢我校相关单位的大力支持,感谢指导教师对我们的指导。
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