高频宽带放大器的设计通信工程专业毕业设计毕业论文.doc

JIU JIANG UNIVERSITY 毕毕 业业 论论 文文（设设 计计） 题 目 高频宽带放大器的设计 英文题目 Design of a Wide-Band Frequency Amplifier 院 系 电子工程学院 专 业 通信工程 姓 名 年 级 指导教师 二零零七年六月 II 毕业论文（设计）毕业论文（设计） 选题报告选题报告 院（系）：电子工程学院 学 生 姓 名 论文（设计）题目高频宽带放大器的设计 题 目 来 源 及 意 义 本题来源于全国电子设计竞赛，低噪声宽带放大器。随着现代通讯工作频带的总 体上移, 射频放大器将成为模拟放大器的主流。由系统天线馈入的无线信号, 在处理 之前必须进行信号放大。低噪声宽带放大器(LNA ) 就是其中非常重要的部件。 论 文 题 目 研 究 领 域 状 况 国内从事硅工艺低噪声放大器开发的单位主要以中电科技集团公司第二十四研究 所和航天771 所为主。产品带宽一般在500MHz 范围以内。近年来,已研制出带宽810 GHz、GP 10 dB 的LNA 样品；开发出带宽116118 GHz、GP2030dB 的LNA 产 品。 总的趋势是向着低噪声、高频宽带、多功能的方向发展。 内 容 提 要 或 实 施 方 案 实施方案为： 用高频特性好的运放及其外围电路组成电压负反馈宽带放大器，框图如下所示： III 主 要 观 点 或 主 要 技 术 指 标 1放大器在3dB通频带满足10kHz4MHz的带宽； 2放大器在10kHz4MHz频带内增益起伏1dB，具有平滑的频率特性； 3输出信号具有较有较好的稳定性； 4在通频带范围内其增益具有多级可调的功能。 主 要 参 考 文 献 1 刘勇.宽带功率放大器技术性能研究.无线电通信技术,2002 年,第 3 期:42-46 2 王国伟.宽带放大器的设计.甘肃科技纵横,2004 年,第 5 期:59-60 3 王正齐.宽带放大器.电子世界,2004 年,第 1 期:35-38 4 赵建领.Protel 电路设计与制版宝典,北京:电子工业出版社,2007.1.P218-219 5 袁维义.电工技能实训,北京:电子工业出版社,2003.11.P36-40 I 摘摘 要要 设计并制作了一个宽带放大器，该放大器由高精度，宽频带运放OP37 组成，其高频特性好，转换速度为。由于OP37的频带宽度可达17s 63MHz，通过对外电路元件参数选择，可使放大器3dB通频带满足 10kHz4MHz的设计要求，在反馈网络并联适当大小的电容，消除高频脉冲 尖峰，可使放大器在10kHz4MHz频带内增益起伏20dB p V 噪声系数(11000MHz, RG=RL=60时): F5dB 驻波比(11000MHz, RG=RL=60时): =130mA a U 在高频状态下工作的晶体管有以下特点：由于制造工艺的原因，在高频工作状态下 晶体管的值不能做得很高，工作频率每增加一倍，值就减少6dB。在高频状态下管 子的引线电感不可忽略，它对放大器工作频段的高端增益有严重的影响。晶体管的输出 电容（结电容）在高频状态下也是一个不可忽略的参数，它对放大器工作频段的高端增 益也具有严重的影响。 此电路增益步进控制难以实现，高频时频率的稳定性不好，高颇管BFT65不容易买 到，而且电感线圈L1和L2在高频条件下比较难调试。 方案三：用高频特性好的运放OP37及其外围电路组成电压负反馈宽带放大器，如图 1-2所示。电路中，通过多刀开关S，选择反馈电阻，以实现增益值多级可调，在每个反 馈电阻中并联补偿电容，用于清除高频脉冲尖峰，从而获得在整个频带内增益起伏小于 1dB的平滑的频率特性。该电路输入阻抗大于1千欧，单端输入，单端输出，满足设计要 求。 4 图1-2 经比较，方案三满足题目设计要求，电路又不太繁琐，成本又不高，所以采用该方 案。 1.2.2 稳压电源 方案一：采用分离元件的串联型稳压电源，其框图如图1-3所示。 图1-3 该电路复杂，且电源的稳定度不够高，制作费材，费时。 方案二：用三端稳压器LM7815，LM7915分别产生稳定的15V电源，如图2-1所示。 用78/79系列三端稳压IC来组成的稳压电源所需外围元件极少，电路内部还有过流、过 热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该电源电路电源对称性 好，稳定度高，可以作为宽带放大器的电源。 通过比较，方案二电路简单，电源稳定，所以本设计采用方案二。 5 第二章第二章 主要电路的设计与计算主要电路的设计与计算 为使放大器系统装置能够具有更好的实用性，并且具有更高的性能，我们对该系统 的硬件进行精心的设计。 该系统的硬件设计按功能来分，可分为两个部分。其中 OP37 是整个电路的核心芯 片，通过对不同反馈电阻的选择，即可实现对放大器增益多级可调。系统的另一部分为 电源部分。 2.1 电源电路的设计 对于高频信号来说，输入电源的电压波纹会影响到信号的输出效果。鉴于高频宽带 放大器对电源的高要求，所以需要为放大器配置一个电源电路，使其能为高频宽带放大 提供较稳定的电压。 电源设计电路如图2-1所示。 图2-1 该电路由三端稳压器LM7815、LM7915组成。从输入端输入15V由交流电转换来的 直流电源，经过三端稳压器LM7815、LM7915进一步稳压，分别产生稳定的15V电源， 如图2-1所示。该电源电路电源对称性好，稳定度高，可以作为宽带放大器的电源。 直流稳压电源，设计要求当单相220V交流电压供电时，交流电压变化范围为- 10+10仍能正常工作，计算滤波电容值时，应考虑整流二极管、LM7815、LM7915 的最小压降。 d U 输出15V时，设计输出电流至少达到500mA。 在0.01s内电压变化为 max 2 1 15%0.7154.5 d UUUV 6 0.5 0.014.51111.1CQUI tUF 其中，U18.75V（变压器输出交流电压），0.7V为二极管压降，为7815、7915 d U 的最小压降。一般三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为2V，否则不能输出稳 定的电压，一般应使电压差保持在4V5V，即经变压器变压，二极管整流，电容器滤波 后的电压应比稳压值高一些。设计取C3300，足以满足需要。F 另外，为了消除高频杂散信号对电源的干扰，在7815(7915)的输入端，输出端各并 联0.1的电容。F 2.2 宽带放大器的设计 2.2.1 选择运算放大器 本设计要求宽带放大器的频带宽度为10kHz4MHz，为了满足设计要求，必须选择 特征频率高的运放。OP37集成运放的参数如下： Low Noise，80n(0.1Hz to 10Hz) 3nv/ 1 P P V HzkHz Low Drift，0.2/VC High Speed， Slow Rate17/Vs 63MHz Gain Bandwidth Low Input Offset Voltage，10 V Excellent CMRR，126dB(Common Voltage l1V) High OpenLoop Gain，1.8 Million Available in Die Form 由此可知该运放OP37具有精度高、频带宽、高频特性好及转换速度快等特点， 符 合电路的要求。 2.2.2 电路图及元件选择 由OP37组成的宽带放大器，如图2-2所示。 图2-2 图2-2中，C4、Cl1、C5、C12组成频率补偿电路。C4、C11、C5、C12的大小由低频 截止频率决定，其容量： 1 2CfcR 若取，2fckHz1Rk 7 则1 280CfcRF 所以电容C取100的铝电解电容，由于电容C的加入会使高频阻抗上升，可在其两F 端各并联一个0.1的陶瓷电容对阻抗进行修正。F W1为的调零电阻。10k C17、C18为10的电源退耦电容，使运放电源稳定。F R1R6为电压负反馈电阻，通过开光S1选择R1R6可改变放大器的增益。 R10为100限流电阻。 2.2.3 输入电阻，输出电阻及增益 图2-2所示电路的输入电阻为： 7771.2 in RRRiRRiRk 为OP37输入电阻,当输出对地短路时，运放通过R10接地，此时放大器的输出对地 in R 为100，正常工作时，输出电阻为：。100 out RRi 放大器的增益为： ( =l，2， ，6)9 u ARi R i 当时，。96Rik96 196 u A 倍 当时，。48Rik48 148 u A 倍 当时，。24Rik24 124 u A 倍 当时，。12Rik12 112 u A 倍 当时，。6Rik6 16 u A 倍 当时，。3Rik3 13 u A 倍 8 第三章第三章 系统调试与测试结果系统调试与测试结果 前面我们分析了系统电路的工作原理及相关的公式计算，现在我们对系统实物电路 进行检测来分析电路的工作特性。 3.1 测试方法 按照电路原理图，正确连接电路电源线，+15V 接电源的+15V，-15V 接电源的- 15V，GND 接 GND，接上电源后通电。 高频信号的输出端接信号线的输入端，用示波器测输入信号的峰峰值，记为.测 i U 输出信号的峰峰值记为。则放大器的放大倍数为。 o U uoi AUU 调节调零电阻 W1 使放大器处于正常工作状态。 3.2 输入阻抗 由图2-2可知，放大器输入端对地有1.2的硬匹配电阻，由于运放的输入阻抗远k 大于1.2所以信号输入时能保证放大器的输入阻抗大于1。kk 3.3 通频带 放大器的输出电阻为100，反馈电阻为3，输入电压=8mv的正弦波。当改k pp V 变输入信号频率时，测得放大器的输出幅频特性如表3-1所示。 in f 表3-1 放大器的幅频特性 由表3-1可以看出，放大器的上限频率为2.5MHZ左右。 3.4 增益的步进值 输入频率= 10KHZ，=8mV的正弦信号。手动改变换档开关S1的位置，使 in f pp V 输入频率（KHz） in f 1020506070 输出电压（mV） pp V 2121212121 输入频率（MHz） in f 0.080.30.511.5 输出电压(mV) pp V 2121212020 输入频率（MHz） in f 1.822.533.5 输出电压(mV) pp V 1912.51194.5 9 放大器接不同的负反馈电阻，得表3-2所示的增益步进值。 表3-2 增益的步进值 增益步进值 1234 反馈电阻（）k3124896 预置增益（倍） 82.5 预置增益(dB) 8.314.125.938.3 由表 3-2 可得，放大器的增益范围为 2.6 倍82.5 倍，约 8.3dB38.3dB。 3.5 最大输出电压 输入频率=10KHZ，输入电压=8mV的正弦信号，测得放大器在此条件下输出电 in f pp V 压峰峰值=0.66V。 maxo V 3.6 最大增益 由最大输出电压结果得，放大器的最大电压增益为 max 660882.5()38.3 voi AVVmVmVdB倍 3.7 测试分析 由实验测出的数据与理论的数据存在一定的误差，经分析产生误差的因素主要有以 下几点： （1） 电路中的实际电阻阻值与理论计算的电阻阻值存在一定的误差； （2） 由于试验场地有许多电脑和仪器，使用开关电源，电磁噪声很大； （3） 由于电源是由交流电转换过来的，输入电源被反馈到输入信号端使得输出的 信号有微小的波动； （4） 元件分布影响信号的输出特性。 此电路具有六级可调的功能，由于受开关的限制，此设计只做到四级可调。从测试 结果来看，当反馈电阻为3，输入电压=8mv的正弦波时，放大器的上限频率可达k pp V 3MHz。调节开关选择不同的反馈电阻可得放大器的放大总数范围为约3倍83倍，转换 成增益为8.3dB38.3dB。输入频率=10KHZ，输入电压峰峰值=8mV的正弦信号时 in f pp V 的最大输出电压峰峰值为0.66V。 从电路的测试数据可知，该放大器在3MHz内时具有良好的增益性能。由于作者的水 平有限，该电路的设计存在一定程度的缺陷，该放大器的带宽有限。 10 第四章第四章 抗干扰措施抗干扰措施 系统总的增益为2dB40dB，因此抗干扰措施必须要做得很好才能避免自激和减少 噪声。我们采用下述方法减少干扰，避免自激。 4.1 电源线设计 根据印制电路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时使电源线、 地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。 4.2 地线的设计 高频电路中采用多点串联接地，地线就短而粗，接地线应在 2mm3mm 以上。高频 元器件周围尽量用栅格状的大面积铜箔。接地线构成闭环路，可吸收高频信号减少噪声。 4.3 耦合电容配置 所有信号耦合用电解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频增益下降。电容引线不 能太长，尤其是高频旁电容不能有引线。 4.4 元件之间的连线 强电流引线应尽可能宽些，以降低布线电阻及其电压降，也可减小因寄生耦合面产 生的自激。 在对进出接线端布置时，使相关联的两引线端的距离不太大，一般为 0.20.3in 较合适。进出接线端尽可能集中在 12 个侧面，不要过于分散。在保证电路性能要求 的前提下，设计时应力求合理走线，并按一定顺序要求走线，力求直观，便于安装和检 修。 11 附录一附录一 OP37OP37的芯片管脚图及其原理图的芯片管脚图及其原理图 图一 OP37GP 芯片管脚图 图二 OP37 芯片工作原理简图 12 附录二附录二 系统硬件系统硬件PCBPCB原理图原理图 8 5 2 3 4 6 7 1 OP37GP U1 1K R7 20K R10 1.2K R9 600 R8 96K R6 48K R3 24K R1 12K R2 6K R4 3K R5 1pF C5 1pF C3 1pF C1 1pF C2 1pF C4 1pF C6 0.1uF C9 0.01F C10 0.1uF C11 0.01uF C12 0.01uF C8 0.01uF C7 IN 1 2 OUT 3 GND LM7815CT U2 IN 2 1 OUT 3 GND LM7915CT U3 0.1uF C13 0.1uF C14 0.01uF C15 0.1uF C17 0.01uF C180.1uF C16 1 2 3 4 Header 4H JP3 1 2 Header 2 JP1 1 2 JP2 SW-6WAY S1 GND GNDGND GND GND GND GND 100uF C21 100uF C22 3300uF Cap Pol1 C25 100uF Cap Pol1 C26 47uF Cap Pol1 C23 47uF Cap Pol1 C24 3300uF Cap Pol1 C19 100uF Cap Pol1 C20 GND +15V -15V 10K R11 13 附录三附录三 系统硬件系统硬件PCBPCB图图 14 附录四附录四 系统硬件系统硬件3D3D效果图效果图 图 1 PCB 板 3D 效果图 15 图 2 PCB 板正面 16 图 3 PCB 板反面 17 总总 结结 本设计是主要采用了芯片来进行宽带放大器的制作，因其具有高精度、频带宽、高 频特性好等特点，设计放大器时所使用的元器件也简洁。所以此设计是一个值得推广的 一种方法。 在设计本作品时，我通过查阅网络与图书馆搜集到的资料，再加上樊红社老师的精 心指导与资料提供，把课堂上学习的知识用于实践工作中，设计出了这一高频放大器的 主要硬件结构，基本完成了课题的要求，但是由于设计的理论基础尚浅，对课题的研究 经验还不成熟，使得在技术的解决与运用上显得粗糙了一些，在某些技术关键上的叙述 不能达到详细、精辟。但是这个系统的设计却不缺乏自己的特点和创新点，可归结为如 下几点：该设计采用的元件较少，操作方便；使用维护方面也很便利，易于掌握；体积 小，放大信号稳定性好。 本设计主要是模拟电路处理，得到了很高的增益和较小的噪声。由于考虑信号的稳 定性及高频信号的特性问题，系统的核心部件使用了集成芯片OP37，设计很灵活也很容 易实现，实现了信息的高精度、快速处理和输出功能。该系统的应用有助于减轻工作 人员的劳动强度，提高安全性、准确性和工作效率。由于本人的水平有限，设计当中， 难