全国二等奖_射频宽带放大器_设计方案_设计理论2013-9-8

1、射频宽带放大器(D题)摘要：本作品采用OPA842 ，AD8009和OPA8045设计多级射频宽带放大器。作品中设计了高效率直流稳压电源，使用了阻抗匹配以及多种抗干扰措施以减少外界噪声，同时抑制高频自激，使得射频放大器的性能稳定，功能完善，实现了题目中1mv小信号放大和60db高增益。本设计具有高带宽，低噪声，增益可调等特点，能对要求的小信号进行高增益，低失真，低噪声的放大。 AbstractThis work designs a multi-stage radio frequency broadband amplifiers with OPA842, OPA8009 and AD8045.

2、The efficient DC regulated power supply is implemented, and impedance matching and anti-interference techniques are used to reduce noises and suppress the high frequency excitation, which can make the designed amplifier being table and achieve the requirements. This design has the advantanges of hig

3、h bandwidth, low noise and adjustable gain and can be used to amplify small signals with high gain, low distortion and low noise.目录目录21 方案比较与论证：12 理论分析与计算22.1 宽带放大器设计22.2 5阶无源巴特沃斯高通滤波器32.3 频带内增益起伏控制32.4 射频放大器的稳定性42.5 增益调整43系统硬件电路整体设计（见附录2）54 系统测试方案54.1测试方法54.2 测试仪器54.3测试结果及分析64.3.1基本要求64.3.2扩展要求65 竞

4、赛感想86 附录8附录1系统硬件电路整体设计8附录2 设计任务与要求91 方案比较与论证：综合分析题目要求，在较宽的信号带宽内，要实现0-100M带宽，对1mv小信号进行60db放大并保持带内增益1db起伏是本题的难点。要得到很好的性能指标，放大电路的噪声抑制和自激振荡也是很难解决的问题。此外此电路的设计中要考虑成本因素。方案一：采用一级差分和二级宽带放大首先用TI公司的具有370M带宽的差分宽带芯片THS4500进行低噪声的前级放大，将输入信号放大到合适电压后，再用OPA842进行后级放大，理论放大有效值能达到200mv。该方案对噪声抑制最好，但是理论分析，电路调试困难。方案二：采用多级宽带

5、放大 该方案通过选用满足功能指标的运算放大器，通过多级级联的形式，合理选取每级放大增益，最终达到题目功能指标。该方案对芯片性能要求较高，但具有容易调节，电路简单的特点，实际操作行高。方案三：采用一级程控放大和二级宽带放大第一级采用可调增益的程控放芯片VCA820进行前级放大，再用OPA695进行第二级宽带放大。该方案具有增益程控，可以较好的解决放大器增益非线性的问题，具有自动调节增益的特点，但一般程控放大芯片受带宽限制，很难达到100M放大带宽要求。方案选择: 本次设计选用方案二，基础部分通过运用两片单位带宽400M的OPA842进行每级6倍的简单级联放大，最终达到36倍(20dB)放大，满足

6、系统指标要求。OPA842具有低失真（93dBc(5MHz) ），低噪声（2.6nV/），高压摆率的特点。在0-50M的带宽内，对小信号放大具有平坦的频率响应。该芯片前期准备充足，使用熟悉，能简化设计。扩展部分，通过选取1G带宽的AD8009对小信号进行初级放大，再通过两级AD8045进行次级放大。通过调节每级增益，达到60dB的放大增益。AD8009具有高带宽，高带宽增益积，低失真（50 dBc 100 MHz），低噪声（3 nV/），在100M带宽内具有较平坦的小信号频率响应。次级级联的AD8045具有高压摆率（5500 V/µs），高带宽的特点，级联后能满足性能指标。2 理论分

7、析与计算2.1 宽带放大器设计放大器链路组成如图1. 图2所示： 图 1 基本要求放大器组成链路 图 2 扩展部分放大器组成链路图1和图2标注了本设计方案基础部分中每级增益的分配，并在下方根据官方datasheet，在下方标注了理论带宽。2.2 5阶无源巴特沃斯高通滤波器 为满足题目要求的幅频特性曲线，我们采用五阶巴特沃斯高通滤波器对运算放大器输出信号进行滤波，滤波器电路原理图如下： 图3 5阶无源巴特沃斯高通滤波器2.3 频带内增益起伏控制由于影响各器件的幅频特性平坦度的因素有很多，所以系统通频带内增益很容易出现起伏。所以选取的芯片必须具有合适的增益带宽积，压摆率，失调电流，失调电压以及温度

8、系数。本设计方案中的前级放大选取了芯片OPA842，该芯片在0-30M内对小信号放大具有十分平坦的频率响应，在30-100M内最大0.5dB的起伏。而后级放大采用的运放OPA695在0-250M的带宽内保持平坦的频率响应，到300M时才出现明显的衰减。因此本方案的前后级连接后，能达到本题的设计指标。2.4 射频放大器的稳定性放大器要达到绝对稳定，放大器不仅不能同时接近自激振荡条件： 和 ,而且要留有适当的富裕量。当放大器出现自激振荡的问题时，可以在电路中增加零极点来做相位补偿，以达到稳定性。电路中的不良接地和不充分的供电电源，大容量容性负载和高频噪声都对运算放大器的稳定性有影响。通过以下抗干扰

9、措施，本设计方案达到了较好的稳定性。 通过以下抗干扰措施，本设计方案达到了较好的稳定性。：信号源、各级电路之、示波器之间采用镀银屏蔽同轴电缆连接。：整个电路装置放置于防屏蔽铁盒中。：退耦电容尽量接近芯片电源引脚。 2.5 增益调整 反向放大电路的原理如下图所示： 图4 反向放大电路放大电路的增益，通过调整R2（R2为可调电位器）的阻值，来改变放大电路的增益。3系统硬件电路整体设计（见附录2）4 系统测试方案4.1测试方法 本设计采用点频测试法，测试框图如下： 图5 测试方案4.2 测试仪器表1 测试仪器仪器型号120M信号发生器F120100MHZ示波器DS1102E 6位半电压表AGILEN

10、T 34401A 4.3测试结果及分析4.3.1基本要求：幅度调节测试 通过调节反馈电位器，能实现0-20dB增益调节，满足基本要求一。：0-20M通频带增益测试测试条件：Vin=17.68rms (mv) (50mv VPP) ，输出信号如下： 表2 0-20M通频带增益测试 频率/MHZ0.20.30.50.8135实测Vrms/mv206.48229.10240.42243.24246.07263.04260.22增益/dB21.3522.2522.6522.7722.8723.4523.35频率/MHZ8101113151820实测Vrms/mv263.04260.22268.7026

11、8.70268.70274.36277.19增益/dB23.4523.3523.6323.6323.63238123.91 :由表2可知，输入信号在0-20M通频带内都能达到Vrms200mV，满足基本要求二。 :由表2可知，当输入在1M的测得最小Vrms=246.07mv，在15M取得最大Vrms= 268.70mv，最大波动为0.76dB,满足题目基本要求三。4.3.2扩展要求：幅度调节测试测试条件：Vin=0.00098 rms (v) (2.8mv VPP)，输出信号如下：表3 0-50M 1mv小信号增益测试频率/MHZ0.20.30.50.8135实测Vrms/v2.4042.40

12、42.3762.3772.3762.1922.220增益/dB67.7967.7967.6967.7067.6966.9967.10频率/MHZ8101215182022实测Vrms/mv1.9011.4421.3851.1461.0891.0471.032增益/dB65.8063.3563.0061.3660.9260.5760.45频率/MHZ25283035404550实测Vrms/mv1.0180.9970.8820.7610.6370.5120.391增益/dB60.3360.1559.0857.8056.2654.3652.00由表3知，该设计在0-28M内，增益能达到60dB，并

13、且实际中能实现幅度0-60dB内可调。:噪声测试题目要求在Av=60dB时，输出端噪声电压的峰峰值VONPP 100mv 。故对放大器进行噪声测试。测试方法：增益预置为60dB，放大器输入端加50欧姆电阻匹配到地，用示波器测量输出噪声，幅度为60-80mv。测试结果表明放大器在一定的增益范围内能满足题目对噪声的指标要求。:100M通频带测试 由表3知本设计设计在0-28M内，增益能达到60dB，28M之后，增益逐渐下降，分析原因有： ：放大器本身带宽增益限制。 ：PCB制版工艺限制。 ：电源及其他外界噪声影响。 5 竞赛感想通过这次电子设计的经历，小组成员熟悉了电子设计竞赛流程，学习了硬件设计

14、的基本方法，对常用电子元器件有了更深的了解。 6 附录附录1系统硬件电路整体设计 图 6 基本要求放大电路图 7 扩展部分放大电路附录2 设计任务与要求射频宽带放大器（D 题） 【本科组】 一、任务 设计并制作一个射频宽带放大器。 二、要求 1基本要求 （1）电压增益 Av 20dB，输入电压有效值 Ui 20mV。Av 在 020dB 范围内可调。 （2）最大输出正弦波电压有效值 Uo200mV，输出信号波形无明显失真。 （3）放大器 BW-3dB 的下限频率 fL 0.3MHz，上限频率 fH20MHz，并要求在 1MHz15MHz 频带内增益起伏1dB。 （4）放大器的输入阻抗 = 50

15、，输出阻抗 = 50 。 2发挥部分 （1）电压增益 Av 60dB，输入电压有效值 Ui 1 mV。Av 在 060dB 范围内可调。 （2）在 Av 60dB 时，输出端噪声电压的峰峰值 UoNpp 100mV。 （3）放大器 BW-3dB 的下限频率 fL 0.3MHz，上限频率 fH100MHz，并要求在 1MHz80MHz 频带内增益起伏1dB。该项目要求在 Av 60 dB （或可达到的最高电压增益点），最大输出正弦波电压有效值 Uo 1V，输出信号波形无明显失真条件下测试。 （4）最大输出正弦波电压有效值 Uo 1V，输出信号波形无明显失真。 （5）其他（例如进一步提高放大器的增益、带宽等）。 三、说明 1要求负载电阻两端预留测试端子。最大输出正弦波电压有效值应在