宽带低噪声放大器设计毕业设计

1、学号本科毕业设计学院专业年级姓名设计题目 宽带低噪声放大器设计指导教师 职称* 年 * 月 * 日目录摘要 1Abstract. 11 概述 12 低噪声放大器设计的原理 2.2.1 噪声系数 22.2 低噪声放大器的功率增益以及分配电压增益 22.3 端口驻波比 32.4 工作带宽与增益平坦度 32.5 动态范围以及压缩点 32.6 三阶截断点 42.7 低噪声放大器的稳定性 43 器件的选择 43.1 放大器的选择 53.2 放大器的介绍 53.3 电源的供电 53.4 选用器件的介绍 54 模拟电路设计 54.1 方案选择 64.2 模拟电路设计 64.3 电源电路 65 电路的调试 8

2、5.1 调试过程 85.2 测试结果 85.3 系统的改进措施 106 总结 1.1. .参考文献 1.1. .宽带低噪声放大器设计学号：学生姓名： *学 院：专业：指导老师：职称：摘 要：本文介绍了一个 15V 单电源供电的低噪声放大器设计，设计采用三级级 联的方式。该系统主要是宽带低噪声放大器， 为了满足要求， 采用了高速运算放大器 a741作为前两级放大，末级用 CA3140 作为功率放大电路。测试结果表明，放大倍 数为 100 倍，带宽有 1MHz。关键词： a74；1 放大器；带宽；噪声系数The design of the low noise amplifier with broa

3、dbandAbstract: This article describes the design of a single 15V power supply and low noise amplifier. The system has three amplifier consisted of a741 and CA3140, which meet the requirements of broadband and low noise. Test results show that a amplifier with bandwidth 1MHz is 100 times.Keywords: a7

4、41；amplifier；Bandwidth；noise figure1 概述 我们知道低噪声放大器是射频电路的重要组成部分， 并且在有源滤波器等电子电 路当中宽带低噪声放大器起着重要作用。 而且在射频微波电路当中， 放大器也起着重 要作用，它的好坏直接决定了射频微波电路的功能的实现，具有很重要的现实意义， 所以在制做低噪声放大器的时候我们要注意它的各项指标是否能够达标。除此之外， 我们知道随着社会的发展， 以及各项科学技术的发展， 对通信带宽的 要求也越来越宽因此各种通信设备在宽频带上的工作要求不再是以前的一个或者几 个频点。由于我国对放大器设计的技术相对来说还不算很先进， 所以更需要后起之

5、秀 对放大器设计进行进一步的探索和研究。随着时代的发展，人们对通信质量的要求也更高，其中包括要使工作频率更高、 工作频率更宽以及噪声系数更小， 这已经成为各项科学技术设备发展的趋势。 本文介 绍了一种比较简单易行的宽带低噪声放大器设计方法。 本设计利用具有低噪声， 高速 运算的放大器 a74，1 以及 DC-DC 交换器 TPS61087DCR 作为此宽带的噪声放大器 设计的核心。希望这个系统能够实现通频带为 10MHz, 电压增益为 40dB，负载为 50 欧姆时，所输出电压峰峰值是 12V 等等这些指标。此方法在设计过程中容易实现， 并且所需成本比较低，对设计宽带低噪声放大器可谓是一种不错

6、的方法。2 低噪声放大器设计的原理2.1 噪声系数 在射频微波系统当中， 噪声不仅包括外部环境所产生的噪声也包括电路自身产生 的噪声两个部分。放大器的噪声系数可用 NF 来表示，它的定义式如（ 2-3）所示。M1 Si n Ni n（2-1）M 2 So u t N o u t（ 2-2）NF M1 M2（2-3）其中，输入端口的信号功率用 Sin 表示，输入噪声功率用 Nin 表示；输出端口的信 号功率用 Sout 表示，输出噪声功率用 Nout 表示。信号功率与噪声功率的比值也就是放 大器的信噪比，噪声系数也就是输入信噪比与输出信噪比的比值。上面式子的物理意义就是： 如果信号通过放大器之后

7、， 因为存在噪声就会得到不 同的信噪比，从而信噪比就会下降，下降的倍数就是噪声系数。2.2 低噪声放大器的功率增益以及分配电压增益功率增益是本设计的一个重要指标。 其中在很多设计当中每一步都有很多种对功 率增益的定义， 而且每一种定义都会给出关于放大器性能的一些信息， 每次设计都可 以根据不同的指标设计出合适的放大器类型。 一般情况下的定义以及使用的定义有三 种功率增益：一种是工作功率增益即 G= pl pavn ，此式子表示传送到负载的功率与传到二端口 网络的输入端的功率的比值。另一种是可用功率增益即 G= P avn Pavs ，此式子表示二端口网络的可用功率与源 的可用功率的比所得到的结

8、果。最后一种是转换功率增益即 G=P l Pavs ，此式子表示传送到负载的功率比上来自 源的可用功率所得的结果。这些都是对增益的度量，对计算具有更好的计算结果。 对于多级放大电路的分配电压增益， 它的上限频率与组成它的各级放大级上的上 限频率之间存在一定的近似关系， 这个近似关系如下所示： 若将两个相同的频率特性 信号输入放大器，其中每一级的上限频率是 fh1，那么两级放大电路的总的上限频率 是 fh=0.64fh1 ；如果将三个相同的频率特性的放大级组成放大电路，其中每一级的上 限频率是 fh1，那么三级放大电路总的放大频率上限是 fh=0.5fh1。所以要想使级联时 不会有太多的频率衰竭

9、，就必须要合理的调整各级的放大倍数。在此实验中， 在最佳的环境下通过调节单运放 ua741放大电路， 在放大通道的正 弦信号输入电压幅度为 5-200mV，带宽为 50-10000Hz。2.3 端口驻波比 放大器的输入端口和输出端口与系统特性阻抗的匹配程度由这两个端口的电压 驻波比公式如下：VSWR=1 T 1 T（2-4）微波低噪声放大器通常情况下采用 50 欧姆作为特性阻抗。由（ 2-4）式可以知道，端口驻波比总是大于等于 1 的，当 T=0，也就是当零反 射时， VSWR 最小为 1，此时端口的匹配是最好的。低噪声放大器具有两个重要指标， 即噪声系数和功率增益。 一个是在输入端口按 照最

10、佳噪声来设计的， 另一个是在输出端口功率的最大来设计的， 这两者是会互相影 响的，其结果也必然会导致驻波比不会在最佳的共轭匹配点上， 或者噪声匹配不会在 最佳点上，所以低噪声放大器设计经常是在噪声系数与驻波比也就是说功率增益间的 权衡。2.4 工作带宽与增益平坦度 对于理想的微波低噪声放大器我们希望在工作频带内具有相等的增益以及较好 的输入匹配和较小的噪声系数。 我们在前面说过， 共轭匹配只能在相对较窄的带宽上 给出最大的增益， 然而对于最大的增益来说它的设计将提高增益的带宽， 不过放大器 的输入以及输出匹配就会变得很差，这些问题主要是由于典型的微波晶体管和50 欧姆特性阻抗是不好匹配的，因此

11、要想拓宽带宽就必须以降低增益为代价来进行。增益平坦度的定义是指在给定的带宽范围内的增益的最大值减去最小值， 也就是 说这个范围内值的差，这以分贝来衡量。2.5 动态范围以及压缩点 低噪声放大器输入信号要求的最小功率和最大功率的最大功率范围就是宽带低噪声放大器的输入信号动态范围。这些定义也就是说当某一个信号通过放大器的时 候，如果功率比较小的时候， 那么放大器的噪声就会把它覆盖， 这样将得不到输出信 号；如果信号的功率过大的时候， 当它大于放大器的线性指标的时候， 放大器就不会 将继续线性的放大信号，而是会有下降到饱和的趋势，这个时候输出信号就会失真。如果能够看到压缩点从理论上的并且比较理想状态

12、的输出功率特性曲线上下降了 1dB 压缩点，那么这个下降到 1dB 的功率电平所得到的结果就是 1dB 压缩点，这 样做的目的是为了定量规定一个放大器的动态范围， 这个定义与所要讲的三阶截断点 都是评判一个放大器非线性特性的重要的参考依据。2.6 三阶截断点 通常可以用 1dB 压缩点和三阶互调截点这两个指标来衡量放大器非线性特性。 当两个频率相近的信号 f1 以及 f2 同时一起输入到放大器的时候，因为放大器的 非线性特性，将会产生许多组合的频率分量，在这些分量当中， 2f1-f2 和 2f2-f1 是其 中最接近基频信号的， 从而会落到通频带内以至于很难消除， 进而会引起输出信号的 失真。

13、例如，当 f1=1KHz,f2=1.2KHz, 则经过计算可得 2f1-f2=0.2KHz ，2f2-f1=0.4KHz 。 当三阶互调功率同和基波功率相等时的点就是三阶截断点。通常情况下三阶截断点 P3要比 1dB 压缩点 P1大 12-15dB。2.7 低噪声放大器的稳定性 在低噪声放大器设计的重要特性当中， 稳定性是它的重要特性之一， 如果低噪声 放大器电路的性能不够稳定时就会产生振荡。 通常情况下这不是一个在恒定的振幅和 恒定的频率下的恒定的振荡， 事实上是一个混乱的响应， 而振荡器的设计当然也不是 简单的设计一个不稳定的放大器。 我们知道没有一个简单的度量可以来表示一个放大 器是不是

14、稳定的。 既然稳定的条件是复杂的， 但是如果我们考虑在无论多少负载以及 输出网络匹配的情况下， 输入端它都是稳定的； 同理， 无论源以及输入网络的匹配情 况是多少的情况下，输出端也都是稳定的。自激振荡对于我们了解放大器的稳定性具有重要作用。 由于信号在通过反馈回路 以及运放的过程中产生附加相移从而产生自激振荡。 这个附加相移包括高频段产生的 也包括低频段产生的，我们分别用 1，2 表示。当输入某一个信号为频率 fo， 在这里使 1× 2在=n这里, n 为奇数，反馈量会使输入量增大， 此时电路会产生正 反馈。对于电压反馈型 ua741我们要人为地加入电阻电容，他们就会在 fo 处产生

15、附加 相移 ，3如果 3× 2（nn为奇数），那么自激振荡就会消失。3 器件的选择3.1 放大器的选择在此我们选用高速运算放大器 a741作为前两级放大电路， ca3140作为最后一级 放大电路。3.2 放大器的介绍高速运算放大器 a741是一款低噪声作为增益放大器，电压负反馈的运算，其 输入噪声为 2.5nv HZ ,其宽带为 240MHz ，输出电流能够达到 110mA。对于 ca3140 放大电路，它是一款高速宽带放大器，作为功率放大器，其输入噪声为 2nv HZ ， 其通频带从 0到 210MHz，并且可以提供电流的输出。3.3 电源的供电 本设计采用单电源供电，用这种方式进

16、行输入，不需要加入直流输入的成份，此 供电电源的静态工作电压是在 0V ，因此电压的动态范围非常大，比较接近电源。本设计的总体设计图如下：图 1 系统设计框图3.4 选用器件的介绍(1) a741是单运放放大器，也属于双电源供电电路，但也可以用于单电源供电， 那么此时将要求将集成运放组成的交流放大器设计成单电源供电方式。(2) ca3140 是高精度低失调电压的精密运放集成电路，用于微弱信号的放大，如 果使用双电源，能达到最好的放大效果 ,但也可以用于单电源供电。(3) TPS61087具有强制 PWM 模式的 18.5V、3.2A 、652KHZ1.2MHZ 升压的 DC-DC 转换器。(4

17、) L7805 是我们常用到的稳压芯片， 使用方便，用很简单的电路即可输入一个直 流稳压电源，它的输出恰好是 5V 。4 模拟电路设计4.1 方案选择方案一：为了能够实现至少为 40dB的增益调节，也可以使用 DA 高速乘法器型 来实现。可以使用转换器 DA 的数字量的输入端控制传输衰减来实现增益的控制。 这个方案可以说是简单易行并且精确度较高。 但是通过实验可以知道它转化非线性误 差比较大，并且宽带只有几千赫兹， 同时当信号的频率较高时， 系统较容易发生自激， 所以此方案不宜选择。方案二：若采用分立元件，那么此方案就会使元器件成本降低，但是不宜实现， 并且周期很长，尤其是在时间较短的情况下手

18、工制作就会很难保证结果的可靠性以及 达到相应的指标，所以不能够采用这个方案。方案三：本方案采用三级级联的方式，并且对每一放大级都提供 15V 的单电源 供电。同时在每一放大级上都采用负反馈的方式进行。 在本实验中我们应用 ua741作 为前两级放大电路， 反馈电阻的选择决定了前两级都为 5 倍放大，最后一级我们采用 的核心元件为 ca3140，负反馈接滑动变阻器，最终可使最后一级放大倍数为 4 倍放 大。在这个宽带低噪声放大器设计中要求的带宽为 1MHz ，最终放大倍数为 100 倍， 电压增益为 40dB。那么这基本上是能够满足题目的要求的，并且这个方案的方法简 单易行，系统过程实行起来也较

19、简单 ,可采用。4.2 模拟电路设计图 2 三级放大电路的通频带通过进一步的设计和理论分析， 又通过在软件上的仿真可以得到初步的结果。 所 得仿真结果如图 1 所示4.3 电源电路本设计需要一个 15V的单电源。在这里介绍了 5V和 15V电源电路设计如图 2，图 3 所示为了 得到 10V 的电 压峰峰值的输 出， 在这里 我们使用 DC-DC 变化器TPS61087DRC可以将+5V 的电压转换为 +15V ，通过这样可以为末级放大电路提供电 压。电路如图 3 所示：图 4 电源电路图（ 15V）4.4 放大电路对于放大电路的设计这里采用 a741作为前两级放大电路， op07 作为此放大

20、电 路的最后一级放大电路。 在这个放大电路当中对于末级放大电路可以通过两个可调电4 所示：阻来控制放大倍数并且保证输出信号不失真。放大电路如下图图 5 三级放大电路在一级放大电路中，我们的输入信号为电压峰峰值为 2.00mV 的正弦信号，对三 级放大电路采用 15V 的单电源供电，一级的输出信号可以在示波器上显示，通过调 节输入信号的频率可以在示波器上显示输出信号在不失真情况下的下限频率和上限 频率，此范围为 0-12KHz ，并且可以观察到输出电压峰峰值为 1V ，可以看出一级放 大倍数为 50 倍，同理也调试出了二级三级的放大情况。二级放大电路情况同一级放 大情况一样，在调试总的放大电路情

21、况时，输入信号频率范围是10-10MHz，并且调节输入信号电压的峰峰值，峰峰值调节范围是 0-100mV。调试结果在下文。5 电路的调试5.1 调试过程（1）使三级放大电路每一级的正电源端都分别连接 +15V 电源，在三级放大器的 第一级的输入端输入信号， 也就是接上信号发生器， 此信号可以为正弦信号， 可通过 调节输入信号的电压峰峰值以及频率范围来调节输出信号的变化。（2）为了检测输入信号的上限频率以及下限频率， 可通过调节输入信号的频率看 输出信号的最小频率失真以及最大频率失真， 这个最大和最小的范围也就是它的截止 频率范围，从而以此来测试通频带是否是平稳的。（3）通过上述过程， 可分别记

22、录不同情况下输出信号的电压峰峰值， 电压有效值 以及频率范围。5.2 测试结果测试结果如表 1：输入电压输出电压频率 f峰峰值峰峰值有效值3Hz20mv1.6v0.5v5Hz50mv4.5v1.6v10Hz40mv4.0v1.5v1KHz40mv4.1v1.6v1MHz50mv5.2v1.6v10MHz100mv10.2v3.6v50MHz100mv8.8v3.2v表 1 40dB 时的输入输出测试通过表 1我们可以看出放大器的预宽带为 10Hz-10MHz、最大的增益为 40dB 的情况下，通频带里是比较平坦的，在这个时候它最大的不失真的输出电压结果大约是 10.2v，经过测试此结果比较符合

23、题目的要求的。测试的波形如下：图 5 10Hz 正弦信号放大图图 5 所显示的结果表示为输出信号的电压峰峰值为6V ，输出信号的频率为10Hz。图 6 20HZ 正弦信号放大图图 6 所显示的结果表示为输出信号的电压峰峰值为 10.8V ，输出信号的频率约为 20Hz。图 7 1KHz 正弦信号放大图图 7 所显示的结果表示为输出信号的电压峰峰值为11.6V ，输出信号的频率1KHz。图 8 1MHz 正弦信号放大图图 8 所显示的结果表示为输出信号的电压峰峰值为12V ，输出信号的频率为1MHz。图 9 10MHz 正弦信号放大图图 9 所显示的结果表示为输出信号电压的峰峰值为10V, 输出

24、信号的频率为10MHz。通过上述图形所显示的调试结果可以看出这个宽带低噪声放大器的一些指标是 满足要求的，由图可以看出， 由于输入信号的电压峰峰值的变化以及输入信号频率的 变化，输出信号的峰峰值以及输出信号的频率也发生了变化。5.3 系统的改进措施虽然此设计达到了题目的基本要求，但还是存在一些问题需要改进。存在的问题和改进措施为： 在每一个模块都能够正常工作的情况下， 但是在整个级联调试的时候10 还是会出现某些杂波的的干扰的， 所以我们需要对这种情况进行一些改进措施， 这个 改进措施就是系统的地线不能够出现环路， 所以我们要使地线最好一点接地。 在此实 验当中我们进行了制板， 所以在实现当中

25、我们要保证板子的准确性， 在连线时要减少 交叉保证电路的简单准确性。6 总结本设计采用三级级联的方式来进行， 但在设计的开始阶段本打算使用负反馈的形 式建立一个一级的放大形式， 但事实上发现并不能达到预想的结果， 所以在本设计中 决定采用三级级联方式， 其中所用核心元器件有 a741为一级和二级放大电路， 采用 ca3140 为末级放大电路，测量过程中先分别测出每级的放大倍数，然后再测出总的 放大倍数。在此设计当中我们一级和二级放大电路提供 15V 电源，对末级放大电路 也采用 15V 供电电路。在本实验当中为了达到更好的效果，制作了PCB 版以便电路的顺利连接以及测试。 本设计当中进过反复的调试以及测试达到了预测的结果即这个 系统最终实现了电压增益为 40dB，通频带为 1MHz,以及在有负载的情况下输出电压 峰峰值为 10V 等指标。本设计所需成本较低， 简单易行能够达到预想的结果。 通过本设计我学到了很多 知识，包括软件的使用，电路板的制作与使用，还有电路的连接，以及电路的调试， 这期间锻炼了自己的动手能力和分析能力，可以将理论联系实际，培养了我的兴趣， 对以后的发展有了更多的帮助。参考文献1 李晓东，宋耀良，商坚刚 .宽带线性功率放