0.png (121.57 KB, 下載次數: 92)
下載附件
2018-5-31 17:59 上傳
0.png (76.41 KB, 下載次數: 92)
下載附件
2018-5-31 17:59 上傳
一、系統構成
根據該題的各項技術指標要求，采用寬帶寬、低噪聲、高增益的程控放大器是本題的重
點，也是確定方案時需要綜合考慮的問題。為了滿足高增益寬帶寬的要求，該設計需選擇高
增益帶寬積的放大芯片，同時注意阻抗匹配；為了實現增益可變，需要利用增益程控芯片；
為了保證帶寬內的平坦，需要選擇在固定放大倍數下通頻帶能夠保持平坦，或是多級之間的
增益頻率變化特性能互補而平坦的芯片；為了滿足低噪聲要求，從第一級開始就需抑制噪聲，
并在各級中減少噪聲的帶入。
綜合考慮后，決定將電路定為四級，其中第一級主要進行阻抗匹配和噪聲抑制，固定增
益放大；第二級和第三級都是程控增益控制，以實現高增益、寬帶寬和增益可變的平衡；第
四級采用電流反饋放大器進行功率放大。
（1））前級放大模模塊的論證與與選擇
方案1：使用用OPA657 作為為第一級放大大，按照該芯片手冊的說明，在＋7 倍增益時， OPAA657
的增增益帶寬積高高達1.6 GHz，是高增益帶帶寬積，低擾擾動的電壓反反饋型放大器器。在單級能夠保
證帶帶寬和精確度度的情況下放放大小信號，完全滿足題目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。
經實踐，我們發現OPA6657 滿足帶寬寬100 MHz 的的要求，但4..8nV/ √Hz 的的輸入電壓噪聲難
以壓壓制，無法達達到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，同時增益帶寬寬積為3.9 GHz，
適合合高倍數放大大，滿足題目要求。為追求更高指標，，選用OPA8847，所以采采用方案2。
（2））中間程控放放大級的論證證與選擇
產生‐2V~0V 的控
方案1：采用用單級VCA8810 進行程控控放大，單片片機輸出電壓壓經過反向，產
制電電壓，實現單單級‐40 dB 到＋40 dB 的增增益變化。但但理論固定帶寬只有35 MMHz，難以達到拓
展部部分所有技術術指標的要求求。
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現增益可可調，但會給給電路系統帶來干
擾，且在高頻時時，電位器產產生電容效應，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 進行程控放放大，VCA8222 在增益為110 dB
時帶帶寬達到150 MHz，控制制電壓在‐1~＋＋1V，需要對對單片機的控控制信號進行行電平移動，較為
繁瑣瑣。利用VCA8820 進行程控控放大，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情況下下，帶
寬達達到710 MHzz，完全滿足題目要求。
因此我們選選用方案3 中中的VCA821，且采用兩級級級聯的方式式，在增大可可調范圍的同時，
保證證中間級有足足夠的帶寬。
（3））后級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 作為末級級功放帶動550 Ω負載，THHS3091 為電流反
饋放放大器，沒有有嚴格的增益帶寬積，比較較適合高頻設設計，另外電電流反饋放大大器的優點是輸出
電流流大。
方案2：選用用電流反饋放放大器OPA6695 作為末級級功放，根據據數據手冊，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，且經過計算算，OPA847 完完全能接50 Ω負載，達達到1V 真有效效值輸出。
通過對比實實驗發現，3 個個方案都能滿滿足帶寬要求求，但在帶負負載能力上，方案1 更能能有效 滿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
電壓反饋型型運算放大器器的增益和帶寬之間存在一一定的關系，，增益越高，帶寬越窄，增益
帶寬寬積：BW ·AAv ＝常數，所所以在放大器器設計時，應應在增益和帶帶寬之間進行行折中的選擇擇。按
照題題目發揮部分分的要求，信信號通頻帶為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）運算算放大器的開開環響應是輸輸出電壓對輸輸入電流的響響應，與電壓反饋
型運運放不同，電電流反饋運放沒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的的，當設計特定定的放大倍數數時，
應根根據所選用芯芯片的數據手手冊中提供的數據選擇特定定的阻值。
本系統采用用的OPA847 的的增益帶寬積積是3.9 GHz , VCA821 的的帶寬在小信號時為710 MHz,
大信信號時為320 MHz，都是寬帶運放，符符合設計需要要。
（1））增益分配的的計算
題目中要求求系統增益在在0}60dB 可調調，帶寬為1000 MHz 以上上，1 mV 真有有效值輸入時時最大
真有有效值輸出幅幅度大于1V。由以上分析析，該系統共分分為四級。第第一級采用OOPA847 構建同相
放大大器，考慮到到第二級輸入入大于200 mVV 易失真，因因此第一級輸輸出信號幅度度不宜過大，所以
該設設計的第一級級放大8 倍，獲得18.05 dB 左右的增增益，第四級級放大5 倍，獲得約13.98 dB
的增增益，中間兩兩級串聯程控控級可調范圍為‐40 dB~＋＋30 dB，所以以系統總增益益實現了0~60dB
可調調。
（2））帶寬計算
圖D‐1‐2 方框中標明了各各級的增益分分配，以及計計算出每級的的最大通頻帶帶的上限頻率率。系
統通通頻帶由三級級放大電路共共同決定。滿足0.3~100 MMHz 的通頻帶帶要求。
（3））頻帶內增益益起伏的控制制
經過上面合合理分配各級級增益，使得各級帶寬滿足足要求，四級級級聯后，11~80 MHz 內增益
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
為第第一級放大，并調節直流流偏置。最終達到1~100 MMHz 內增益起起伏為0.9 dB 左右。
三、功能及技技術指標實現現方法
（1））前級放大電電路
第一級的作作用主要是進進行阻抗匹配和噪聲抑制，，所以信號輸輸入端加了 50 Ω電阻接接地進
行匹匹配，并且使使用屏蔽線連接接信號源，從從而達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 電容進行行濾波，并且且PCB
布局局及布線時，將電源和信號層布在不同同層上，地線線布置時，信信號地也盡量量遠離電源地地。所
以第第一級需要花花精力去做精精做好。
第一級選擇擇的放大器芯芯片為OPA8477，設計將其其配置成8 倍倍的放大倍數，用±5V 電源供
電，能夠很好地地實現降噪并并拓寬帶寬的要求。圖D‐‐1‐3 為OPA847 前級放大大電路圖，電路可
以在在TI 軟件TINNA 中進行仿真真。
（2））中間程控級級電路
中間級采用用兩級串聯的的VCA821，它它在放大20 dB 時的帶寬寬仍可以達到到320 MHz，滿足
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，帶寬寬會下降，綜合考
慮題題目的要求及及需要，本設設計將其配置為最大增益20 dB 的模式式，從而使其其帶寬能達到到320
MHzz，并且采用兩級級聯，可以有更大的的可控范圍，，從而滿足題題目的要求：增益在0~660 dB
范圍圍內可調。
由于高增益益寬帶放大電電路，直流零點點漂移是個需需要考慮的問問題，所以在在該兩級連接接處加
入了了抑制直流零零點漂移電路路，以使小信號能大倍數放放大，而不失失真。圖D‐11‐5 中Rio 即為調
直流流偏置電阻。圖D‐1‐5 為兩兩級VCA8211 級聯圖，，電電路可以在TTI 軟件TINA 中進行仿真真。
（3））末級放大電電路
末末級采用一級級THS3091 作作為功率放大大，它是電流流反饋放大電電路，其優點點是電路帶寬受增
益的的影響較小，可以在放大的同時，滿足足帶寬要求，帶寬主要受受反饋電阻的的影響，因此我們
根據據芯片手冊上上的電路對其其外圍電路進行設計，雖然然其推薦電壓壓是115 V，但考慮到系統的
噪聲聲及供電，采采用可行的±5V 對其供電電，使THS30091 的通頻帶帶較高。經過過幾次嘗試，選擇
增益益為10 倍（但但其輸入端有有個50 S}對50n 的阻抗匹匹配，所以整整體為放大55 倍），帶寬超出
100 MHz，且帶內平坦度好，，能夠滿足題題目的帶負載載能力，圖DD‐1‐7 為末級級THS3091 放放大電
路圖圖，，電路可以以在TI 軟件TINA 中進行行仿真。
（4））電源電路設設計
直流穩壓電電源采用通過過變壓器、7815 芯片、78805 芯片，將將220 V 轉換換為±12V 和±5V
直流流電源，給整整體電路供電電。
四、電路測量量
（1））電路仿真與與級聯調試
運用電路仿仿真軟件先對對每一級電路進行軟件仿真真，調整參數數，達到要求求后焊接電路路，進
行單單級測量，包包括是否達到到預定增益指標，增益起伏伏是否滿足要要求等。
成功后，將將四級級聯，整整體測試，初初步得出結果果，再將電路路進行固定，調整布局，進行
指標標測量及電路路參數修改，最后進行裝箱調試。
（2））測試條件與與儀器
測試條件：檢檢查多次，仿仿真電路和硬件電路必須與與系統原理圖圖完全相同，并且檢查無無誤，
硬件件電路保證無無虛焊。
測試儀器：示波器（Aggilent 350 MMHz )；數字萬用表（Agilent 34460AA )；函數發生器
（Aggilent33522BB）。
（3））測試結果及及分析
將各級電路路級聯起來，模擬電壓輸出至VCA8211，手動調節節增益。測試試最大放大倍倍數、
帶寬寬、噪聲，測測試相關參數數。
① 寬平坦坦度、截止頻頻率測試：當當供電電壓為±5V 時，輸輸入有效值Ui=1 mV，增益為
60dB 時時，測量出輸輸入信號頻率與增益之間的關系，列表表。
② 噪聲測試試：在增益大大于60 dB 的的情況下，將將輸入接地，測得輸出噪噪聲等于1300 mV
峰峰值，離題目要求求存在一些差差距。經過分分析，可能是是級與級連接接時，雖采用屏蔽
線，但仍不如直接將將各級畫在一一塊板子上效效果好；中間間級和最后一一級功率放大大中，
放大器本本身存在電壓壓噪聲，選擇擇時，并未考慮得很周到，，被引入電路路；地線布置中，
未能將信信號地和電源源地很好地隔隔離，地線產產生了一定的的影響。
③ 增益特特性測試：當當供電電壓為為土5V，輸入入信號頻率為為10 MHz，最最小輸入為11 mV
有效值時，輸出最大大為峰峰值66.484 V。當輸入為20 mmV 有效值時時，輸出最小為峰
峰值200 mV 。
五、作品成效效總結分析
根據實測數數據表明，在在設計中，選用OPA847 , VCA821 和TTHS30} 1 分別別作為前級放放大、
中間間級程控和末末級放大的電電路組合，很好好地滿足了輸輸入小于1 mmV 有效值時時，增益在0 一一60
dB 范范圍內連續可可調，1~100 MHz 范圍內內增益起伏小小于1 dB，上上限頻率達到到140 MHz，以及
輸出出電壓值，噪噪聲，輸入、輸出阻抗等性能指標要求求。
完整的pdf格式文檔51黑下載地址：
2013D題-射頻寬帶放大器-全國一等獎設計方案.pdf
(813.38 KB, 下載次數: 55)
2018-5-31 16:02 上傳
點擊文件名下載附件
下載積分: 黑幣 -5
|
QQ好友和群
QQ空間
騰訊微博
騰訊朋友
收藏
淘帖
頂
踩
