電賽2013D題射頻寬帶放大器的設(shè)計(jì)方案資料下載

ID:342244 · 發(fā)表于 2018-5-31 16:02

一、系統(tǒng)構(gòu)成
根據(jù)該題的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，采用寬帶寬、低噪聲、高增益的程控放大器是本題的重
點(diǎn)，也是確定方案時(shí)需要綜合考慮的問(wèn)題。為了滿(mǎn)足高增益寬帶寬的要求，該設(shè)計(jì)需選擇高
增益帶寬積的放大芯片，同時(shí)注意阻抗匹配；為了實(shí)現(xiàn)增益可變，需要利用增益程控芯片；
為了保證帶寬內(nèi)的平坦，需要選擇在固定放大倍數(shù)下通頻帶能夠保持平坦，或是多級(jí)之間的
增益頻率變化特性能互補(bǔ)而平坦的芯片；為了滿(mǎn)足低噪聲要求，從第一級(jí)開(kāi)始就需抑制噪聲，
并在各級(jí)中減少噪聲的帶入。
綜合考慮后，決定將電路定為四級(jí)，其中第一級(jí)主要進(jìn)行阻抗匹配和噪聲抑制，固定增
益放大；第二級(jí)和第三級(jí)都是程控增益控制，以實(shí)現(xiàn)高增益、寬帶寬和增益可變的平衡；第
四級(jí)采用電流反饋放大器進(jìn)行功率放大。
（1））前級(jí)放大模模塊的論證與與選擇
方案1：使用用OPA657 作為為第一級(jí)放大大，按照該芯片手冊(cè)的說(shuō)明，在＋7 倍增益時(shí)， OPAA657
的增增益帶寬積高高達(dá)1.6 GHz，是高增益帶帶寬積，低擾擾動(dòng)的電壓反反饋型放大器器。在單級(jí)能夠保
證帶帶寬和精確度度的情況下放放大小信號(hào)，完全滿(mǎn)足題目100 MHz 帶帶寬的要求。。
方案2：使使用OPA846 或或OPA847 芯芯片，這兩種種芯片性能相相近，都是具具有超低輸入電壓
電流流噪聲，超高高增益帶寬積積的芯片，OPPA846 在放大大10 倍的情況況下，有400 MHz 的帶寬，
而OOPA847 具有3.9 GHz 的增增益帶寬積，且兩種芯片片的輸入電壓壓噪聲也極低低，能有效壓制噪
聲。
經(jīng)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)OPA6657 滿(mǎn)足帶寬寬100 MHz 的的要求，但4..8nV/ √Hz 的的輸入電壓噪聲難
以壓壓制，無(wú)法達(dá)達(dá)到60 dB 條件件下，輸出噪噪聲峰峰值小小于100 mV 的要求，而OPA846 具有有1.2
nV/ √Hz．的輸入入噪聲電壓，OOPA847 具有0.85 nV/ √Hz 噪聲電壓，同時(shí)增益帶寬寬積為3.9 GHz，
適合合高倍數(shù)放大大，滿(mǎn)足題目要求。為追求更高指標(biāo)，，選用OPA8847，所以采采用方案2。
（2））中間程控放放大級(jí)的論證證與選擇
                                                            產(chǎn)生‐2V~0V 的控
方案1：采用用單級(jí)VCA8810 進(jìn)行程控控放大，單片片機(jī)輸出電壓壓經(jīng)過(guò)反向，產(chǎn)
制電電壓，實(shí)現(xiàn)單單級(jí)‐40 dB 到＋40 dB 的增增益變化。但但理論固定帶寬只有35 MMHz，難以達(dá)到拓
展部部分所有技術(shù)術(shù)指標(biāo)的要求求。
方案2：使用用精密電位器器改變放大器器的反饋電阻阻實(shí)現(xiàn)增益可可調(diào)，但會(huì)給給電路系統(tǒng)帶來(lái)干
擾，且在高頻時(shí)時(shí)，電位器產(chǎn)產(chǎn)生電容效應(yīng)，使得增益不不夠平坦。
方案3：使用用寬帶程控集集成放大器。利用VCA822 進(jìn)行程控放放大，VCA8222 在增益為110 dB
時(shí)帶帶寬達(dá)到150 MHz，控制制電壓在‐1~＋＋1V，需要對(duì)對(duì)單片機(jī)的控控制信號(hào)進(jìn)行行電平移動(dòng)，較為
繁瑣瑣。利用VCA8820 進(jìn)行程控控放大，VCA8820 的性能和和VCA822 相似，只是控制制電壓為0~22 V。
如選選用VCA821, VCA821 與VVCA820 兼容，控制電壓也也一致，在放放大兩倍的小小信號(hào)情況下下，帶
寬達(dá)達(dá)到710 MHzz，完全滿(mǎn)足題目要求。
因此我們選選用方案3 中中的VCA821，且采用兩級(jí)級(jí)級(jí)聯(lián)的方式式，在增大可可調(diào)范圍的同時(shí)，
保證證中間級(jí)有足足夠的帶寬。
（3））后級(jí)電壓放放大模塊的論論證與選擇
方案1：利用用電流反饋放放大器THS30091 作為末級(jí)級(jí)功放帶動(dòng)550 Ω負(fù)載，THHS3091 為電流反
饋放放大器，沒(méi)有有嚴(yán)格的增益帶寬積，比較較適合高頻設(shè)設(shè)計(jì)，另外電電流反饋放大大器的優(yōu)點(diǎn)是輸出
電流流大。
方案2：選用用電流反饋放放大器OPA6695 作為末級(jí)級(jí)功放，根據(jù)據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，OOPA695 在放放大8
倍的的情況下，仍仍然具有450 MHz 的增益益帶寬，且輸出電壓能達(dá)到到土4.2 V。
方案3：選用電壓反饋型型放大器OPPA847 放大220 倍，OPA827 具有3.7 GHz 的增益帶寬
積，且經(jīng)過(guò)計(jì)算算，OPA847 完完全能接50  Ω負(fù)載，達(dá)達(dá)到1V 真有效效值輸出。
通過(guò)對(duì)比實(shí)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，3 個(gè)個(gè)方案都能滿(mǎn)滿(mǎn)足帶寬要求求，但在帶負(fù)負(fù)載能力上，方案1 更能能有效滿(mǎn)足足題目的所有有要求，因此此我們選用方案1。


二、放大器增增益帶寬積分分析
電壓反饋型型運(yùn)算放大器器的增益和帶寬之間存在一一定的關(guān)系，，增益越高，帶寬越窄，增益
帶寬寬積：BW ·AAv ＝常數(shù)，所所以在放大器器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)應(yīng)在增益和帶帶寬之間進(jìn)行行折中的選擇擇。按
照題題目發(fā)揮部分分的要求，信信號(hào)通頻帶為0.3~100 MHHz，最大電壓壓增益Av > 660 dB，則最最小的
增益益帶寬積為：100 M x 10000＝100 GHz。
電流反饋型型（CFB）運(yùn)算算放大器的開(kāi)開(kāi)環(huán)響應(yīng)是輸輸出電壓對(duì)輸輸入電流的響響應(yīng)，與電壓反饋
型運(yùn)運(yùn)放不同，電電流反饋運(yùn)放沒(méi)有恒定的增增益帶寬積，隨著頻率的的增加，它可可以在較寬的頻率
范圍圍內(nèi)保持高增增益。但這是以以犧牲反饋電電阻的選擇范范圍為代價(jià)的的，當(dāng)設(shè)計(jì)特定定的放大倍數(shù)數(shù)時(shí)，
應(yīng)根根據(jù)所選用芯芯片的數(shù)據(jù)手手冊(cè)中提供的數(shù)據(jù)選擇特定定的阻值。
本系統(tǒng)采用用的OPA847 的的增益帶寬積積是3.9 GHz , VCA821 的的帶寬在小信號(hào)時(shí)為710 MHz,
大信信號(hào)時(shí)為320 MHz，都是寬帶運(yùn)放，符符合設(shè)計(jì)需要要。
（1））增益分配的的計(jì)算
題目中要求求系統(tǒng)增益在在0}60dB 可調(diào)調(diào)，帶寬為1000 MHz 以上上，1 mV 真有有效值輸入時(shí)時(shí)最大
真有有效值輸出幅幅度大于1V。由以上分析析，該系統(tǒng)共分分為四級(jí)。第第一級(jí)采用OOPA847 構(gòu)建同相
放大大器，考慮到到第二級(jí)輸入入大于200 mVV 易失真，因因此第一級(jí)輸輸出信號(hào)幅度度不宜過(guò)大，所以
該設(shè)設(shè)計(jì)的第一級(jí)級(jí)放大8 倍，獲得18.05 dB 左右的增增益，第四級(jí)級(jí)放大5 倍，獲得約13.98 dB
的增增益，中間兩兩級(jí)串聯(lián)程控控級(jí)可調(diào)范圍為‐40 dB~＋＋30 dB，所以以系統(tǒng)總增益益實(shí)現(xiàn)了0~60dB
可調(diào)調(diào)。
（2））帶寬計(jì)算
圖D‐1‐2 方框中標(biāo)明了各各級(jí)的增益分分配，以及計(jì)計(jì)算出每級(jí)的的最大通頻帶帶的上限頻率率。系
統(tǒng)通通頻帶由三級(jí)級(jí)放大電路共共同決定。滿(mǎn)足0.3~100 MMHz 的通頻帶帶要求。


（3））頻帶內(nèi)增益益起伏的控制制
經(jīng)過(guò)上面合合理分配各級(jí)級(jí)增益，使得各級(jí)帶寬滿(mǎn)足足要求，四級(jí)級(jí)級(jí)聯(lián)后，11~80 MHz 內(nèi)增益
起伏伏小于1 dB。為了盡可能能排除其他因素素影響增益起起伏，選用極極低電壓噪聲聲芯片OPA8447 作
為第第一級(jí)放大，并調(diào)節(jié)直流流偏置。最終達(dá)到1~100 MMHz 內(nèi)增益起起伏為0.9 dB 左右。


三、功能及技技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)方法
（1））前級(jí)放大電電路
第一級(jí)的作作用主要是進(jìn)進(jìn)行阻抗匹配和噪聲抑制，，所以信號(hào)輸輸入端加了 50 Ω電阻接接地進(jìn)
行匹匹配，并且使使用屏蔽線連接接信號(hào)源，從從而達(dá)到阻抗抗匹配和抑制制噪聲的作用用。而電路本身又
必須須具有高信噪噪比，并盡量減減少噪聲的帶帶人，尤其是是電源方面，除了采用在在總電源人口端用
大電電容進(jìn)行濾波波外，還在芯芯片的電源入口處加了100 μF 和0.1 μμF  電容進(jìn)行行濾波，并且且PCB
布局局及布線時(shí)，將電源和信號(hào)層布在不同同層上，地線線布置時(shí)，信信號(hào)地也盡量量遠(yuǎn)離電源地地。所
以第第一級(jí)需要花花精力去做精精做好。
第一級(jí)選擇擇的放大器芯芯片為OPA8477，設(shè)計(jì)將其其配置成8 倍倍的放大倍數(shù)，用±5V 電源供
電，能夠很好地地實(shí)現(xiàn)降噪并并拓寬帶寬的要求。圖D‐‐1‐3 為OPA847 前級(jí)放大大電路圖，電路可
以在在TI 軟件TINNA 中進(jìn)行仿真真。
  （2））中間程控級(jí)級(jí)電路
中間級(jí)采用用兩級(jí)串聯(lián)的的VCA821，它它在放大20 dB 時(shí)的帶寬寬仍可以達(dá)到到320 MHz，滿(mǎn)足
題目目要求，其有有多種配置方式，不同的配配置方式隨著著最大增益的的提高，帶寬寬會(huì)下降，綜合考
慮題題目的要求及及需要，本設(shè)設(shè)計(jì)將其配置為最大增益20 dB 的模式式，從而使其其帶寬能達(dá)到到320
MHzz，并且采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)，可以有更大的的可控范圍，，從而滿(mǎn)足題題目的要求：增益在0~660 dB
范圍圍內(nèi)可調(diào)。
由于高增益益寬帶放大電電路，直流零點(diǎn)點(diǎn)漂移是個(gè)需需要考慮的問(wèn)問(wèn)題，所以在在該兩級(jí)連接接處加
入了了抑制直流零零點(diǎn)漂移電路路，以使小信號(hào)能大倍數(shù)放放大，而不失失真。圖D‐11‐5 中Rio 即為調(diào)
直流流偏置電阻。圖D‐1‐5 為兩兩級(jí)VCA8211 級(jí)聯(lián)圖，，電電路可以在TTI 軟件TINA 中進(jìn)行仿真真。
（3））末級(jí)放大電電路
末末級(jí)采用一級(jí)級(jí)THS3091 作作為功率放大大，它是電流流反饋放大電電路，其優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)是電路帶寬受增
益的的影響較小，可以在放大的同時(shí)，滿(mǎn)足足帶寬要求，帶寬主要受受反饋電阻的的影響，因此我們
根據(jù)據(jù)芯片手冊(cè)上上的電路對(duì)其其外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，雖然然其推薦電壓壓是115 V，但考慮到系統(tǒng)的
噪聲聲及供電，采采用可行的±5V 對(duì)其供電電，使THS30091 的通頻帶帶較高。經(jīng)過(guò)過(guò)幾次嘗試，選擇
增益益為10 倍（但但其輸入端有有個(gè)50 S}對(duì)50n 的阻抗匹匹配，所以整整體為放大55 倍），帶寬超出
100 MHz，且?guī)?nèi)平坦度好，，能夠滿(mǎn)足題題目的帶負(fù)載載能力，圖DD‐1‐7 為末級(jí)級(jí)THS3091 放放大電
路圖圖，，電路可以以在TI 軟件TINA 中進(jìn)行行仿真。




（4））電源電路設(shè)設(shè)計(jì)
直流穩(wěn)壓電電源采用通過(guò)過(guò)變壓器、7815 芯片、78805 芯片，將將220 V 轉(zhuǎn)換換為±12V 和±5V
直流流電源，給整整體電路供電電。


四、電路測(cè)量量
（1））電路仿真與與級(jí)聯(lián)調(diào)試
運(yùn)用電路仿仿真軟件先對(duì)對(duì)每一級(jí)電路進(jìn)行軟件仿真真，調(diào)整參數(shù)數(shù)，達(dá)到要求求后焊接電路路，進(jìn)
行單單級(jí)測(cè)量，包包括是否達(dá)到到預(yù)定增益指標(biāo)，增益起伏伏是否滿(mǎn)足要要求等。
成功后，將將四級(jí)級(jí)聯(lián)，整整體測(cè)試，初初步得出結(jié)果果，再將電路路進(jìn)行固定，調(diào)整布局，進(jìn)行
指標(biāo)標(biāo)測(cè)量及電路路參數(shù)修改，最后進(jìn)行裝箱調(diào)試。
（2））測(cè)試條件與與儀器
測(cè)試條件：檢檢查多次，仿仿真電路和硬件電路必須與與系統(tǒng)原理圖圖完全相同，并且檢查無(wú)無(wú)誤，
硬件件電路保證無(wú)無(wú)虛焊。
測(cè)試儀器：示波器（Aggilent 350 MMHz )；數(shù)字萬(wàn)用表（Agilent 34460AA )；函數(shù)發(fā)生器
（Aggilent33522BB）。
（3））測(cè)試結(jié)果及及分析
將各級(jí)電路路級(jí)聯(lián)起來(lái)，模擬電壓輸出至VCA8211，手動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)增益。測(cè)試試最大放大倍倍數(shù)、
帶寬寬、噪聲，測(cè)測(cè)試相關(guān)參數(shù)數(shù)。
①  寬平坦坦度、截止頻頻率測(cè)試：當(dāng)當(dāng)供電電壓為±5V 時(shí)，輸輸入有效值Ui=1 mV，增益為
      60dB 時(shí)時(shí)，測(cè)量出輸輸入信號(hào)頻率與增益之間的關(guān)系，列表表。
② 噪聲測(cè)試試：在增益大大于60 dB 的的情況下，將將輸入接地，測(cè)得輸出噪噪聲等于1300 mV
      峰峰值，離題目要求求存在一些差差距。經(jīng)過(guò)分分析，可能是是級(jí)與級(jí)連接接時(shí)，雖采用屏蔽
      線，但仍不如直接將將各級(jí)畫(huà)在一一塊板子上效效果好；中間間級(jí)和最后一一級(jí)功率放大大中，
      放大器本本身存在電壓壓噪聲，選擇擇時(shí)，并未考慮得很周到，，被引入電路路；地線布置中，

      未能將信信號(hào)地和電源源地很好地隔隔離，地線產(chǎn)產(chǎn)生了一定的的影響。
   ③  增益特特性測(cè)試：當(dāng)當(dāng)供電電壓為為土5V，輸入入信號(hào)頻率為為10 MHz，最最小輸入為11 mV
      有效值時(shí)，輸出最大大為峰峰值66.484 V。當(dāng)輸入為20 mmV 有效值時(shí)時(shí)，輸出最小為峰
      峰值200 mV 。


五、作品成效效總結(jié)分析
根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)數(shù)據(jù)表明，在在設(shè)計(jì)中，選用OPA847 , VCA821 和TTHS30} 1 分別別作為前級(jí)放放大、
中間間級(jí)程控和末末級(jí)放大的電電路組合，很好好地滿(mǎn)足了輸輸入小于1 mmV 有效值時(shí)時(shí)，增益在0 一一60
dB 范范圍內(nèi)連續(xù)可可調(diào)，1~100 MHz 范圍內(nèi)內(nèi)增益起伏小小于1 dB，上上限頻率達(dá)到到140 MHz，以及
輸出出電壓值，噪噪聲，輸入、輸出阻抗等性能指標(biāo)要求求。

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