高增益宽带放大器的研究与设计.docx

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高增益宽带放大器的研究与设计

南京师范大学中北学院

毕业设计（论文）

（2013届）

题目：

高增益宽带放大器的研究与设计

专业：

电子信息工程

姓名：

XXX学号：

XXX

指导教师：

王兴和职称：

教授

填写日期：

2013-5-10

南京师范大学中北学院教务处制

摘要

在无线通信系统中，高增益宽带放大是其重要的组成部分，它性能的好坏对整个系统起着重要的的作用。

随着通信技术的发展，军用和民用对其提出了更高的要求，对射发系统的研制提出了更高的要求甚至是全新的要求。

文章介绍了一种基于模拟运算放大器实现的增益可控的宽带放大器。

该器件由三个部分组成，第一部分由运算放大器OPA2613组成，第二部分中间级连续可调增益由放大器OPA842完成，第三部分功放由AD811完成。

工作频带宽可达3.9MHZ，增益调节0dB-53dB。

放大器噪声小,动态范围宽。

在通频带内增益起伏为1dB左右。

通过反馈电阻可调，可实现增益的变化。

通过Multisim的仿真能达到良好的效果。

整个系统工作可靠，稳定，而且成本低效率高。

关键词：

OPA2613OPA8421AD811可控增益带宽放大器

ABSTRACT

Inawirelesscommunicationsystem,high-gainbroadbandamplificationisanimportantpartofthat,Itisgoodorbadperformanceofthewholesystemplaysanimportantrole.Withthedevelopmentofcommunicationtechnology,militaryandcivilianputforwardhigherrequirementsforit,Hairontheradiosystemdevelopmentputforwardhigherrequirementsevenentirelynewrequirements.

Thispaperpresentsasimulation-basedoperationalamplifiergaincontrolledwidebandamplifier.Thedeviceconsistsofthreeparts,thefirstpartoftheoperationalamplifierOPA2613,andthesecondpartoftheintermediatestageadjustablegainamplifierOPA842completedbythethirdpartoftheamplifierbytheAD811iscompleted.Frequencybandupto3.9MHZ,gainadjustment0dB-53dB.Amplifiernoise,widedynamicrange.Upsanddownsinthepassbandgainisabout1dB..Adjustablethroughthefeedbackresistor,thegainvariationcanbeachieved.ByMultisimsimulationcanachievegoodresults.Thewholesystemisreliable,stableandcost-inefficientrate.

Keywords:

OPA2613OPA8421AD811ControllablegainBandwidthamplifier

第一章绪论

1.1高增益带宽放大的研究意义

随着微电子技术的发展，可变增益放大器是无线通信系统中必不可缺的重要模块，典型地应用在自动增益系统反馈回路中。

它根据接收到的信号强弱，不断的进行手动增益调节，已获得足够大的信号。

高增益和带宽往往是矛盾的，由于大电路存在电抗性原件（如耦合电容和旁路电容）及三极管的极间电容，他们的电抗能力随着信号频率变化而变化。

因此，放大电路对不同频率的信号具有不同的放大能力，其增益的大小和相移均会随频率变化而变化，即增益是信号的频率的函数。

增益的增加往往以牺牲带宽为目的。

为了克服以上局限，需要电路优化兼顾制造工艺，才能设计出高性能的带宽放大器。

因此此课题具有一定的研究意义。

1.2国内外研究的现状

放大电路发展到现在，有许多种类和应用，模电教科书就介绍过，共基级，共集电极，共发射级。

随着科学技术的发展，带宽放大器有了很大的变化，已经广泛应用于军用，民用通信，现在对带宽和放大倍数有了跟高的要求。

随着功放相关理论的进一步发展，更优的带宽放大器会出现，并应用于无线电通信。

5G网络是当前国际上一项需要发展的热门技术。

13年5月13号三星电子通过研究和实验，在28GHz的超高频段，以每秒1Gb以上的速度，成功实现了传送距离在2Km范围内的数据传输。

1.3研制难度和未来发展趋势

高增益带宽放大研制的一大难点是线性度的提高，高线性放大器是放大器的一个明显趋势。

目前针对高线性的研究，已经成为热点，随着科学技术的发展，出现了许多新技术和新颖的方案，与传统的带宽窄，放大倍数底的方法相比有了很好的进步，而且放大芯片的集成度越来越高，体积也越来越小。

可见，未来的带宽放大器会朝着高效率，高带宽，高线性发展。

第二章带宽放大的主要指标和常见问题

2.1工作频带宽度

带宽放大的工作频率常用倍频表示。

在输入信号幅值保持不变的情况下，增益下降3dB的频率点，其输出功率等于中频区输出功率的一半，通常称为半功率点。

一般把频率响应的高低二个半功率点间的频率差定义为放大电路的带宽或通频带。

2.2电路的增益

放大电路一般有四种电压放大电路、电流放大电路、互阻放大电路、互导放大电路，对应的放大有电压放大Av,电流放大Ai，互阻放大Ar及互导放大Ag。

他们实际反应放大电路在输入信号控制下，将供电能源能量转化为能量信号的能力。

其中Av和Ai二种无量纲增益，在工程上常用10为底的对数增益表达，其基本单位为贝尔（Bel,B），平时用它的十分之一单位“分贝”（dB）。

这样分贝表示的电压增益和电流增益分别表示如下：

电压增益=20lg|Av|dB

电流增益=20lg|Ai|dB

由于功率与电压（或者电流）的平方成比例，因而功率增益表示为：

功率增益=10lgApdB

电压增益和电流增益之所以采用绝对值，是考虑到在某些情况下Av或Ai为负数，这意味着输出与输入之间的相位关系为180°，这与对数的增益为负值的意义不同，二者不能混淆。

例如，当放大电路的电压增益为-20dB时，表示信号电压经过放大电路后，衰减为原来的1/10，即|Av|=0.1。

用对数方式表达放大电路的增益之所以在工程上得到广泛的应用是由于：

（1）当用对数坐标表达随增益变化的曲线时可能扩大增益变化的视野；

（2）计算多级放大电路的总增益时，可将乘法化为加法进行运算。

上述二点有助于简化电路的分析和设计过程。

图2-1电压放大电路

图2-2电流放大电路

2.3非线性失真

放大电路对信号的放大应该是线性的。

输出电压Vo和Vi具有线性关系，如电路图2-3所示输出应该是输入的10倍。

然而，实际的放大电路并不如此。

由于构成放大电路的元器件本身是非线性的，加之放大电路工作电源受到有限电压的影响限制，所以，实际的传输特性不可能达到理想情况。

由此表明放大电路的增益不能保持恒定，随输入信号的变化而变化。

由于放大电路这种非线性特性引起的失真称为非线性失真。

图2-3测试电路

测试一：

输入频率为1KHz，振幅为1Vp的正弦波。

示波器输入输出如图2-4

通道A输出（黑线）通道B输入（红线）

图2-4输入输出波形图

测试二：

输入频率为1MHz，振幅为1Vp的正弦波。

示波器输入输出如图2-5

通道A输出（黑线）通道B输入（红线）

图2-5输入输出波形图

从电路图2-4和电路图2-5可以看出当输入信号频率改变时，输出的放大倍数变小了而且向位移动了，由此可以看出放大电路受到本身器件的影响

2.4自激振荡

2.4.1自激振荡的条件

自激振荡的条件为|AF|=1和arg（AF）=φA+φF=±（2n+1）π（n=0，1，2，…）上述公式是在负反馈的基础上推导出来的，相应条件是在-180°的基础上（中频时Uo与Ui反相）所产生的附加相移Δφ。

2.4.2稳定工作的条件及稳定分析

根据AF的幅频和相频波特图来判断，设G（dB）=20lg|AF|dB。

（1）当Δφ=-180°时（满足相位条件）：

若G<0，则电路稳定；若G≥0（满足幅度条件），则自激。

（2）当|AF|=1，即G=0dB时（满足幅度条件）：

若|Δφ|<180，移相不足，不能自激；若|Δφ|≥180°，满足相位条件，能自激。

用上述二个方法中任何一个判断均可，需要注意的是，当反馈网络为纯电阻时，反馈系数F为实数。

2.4.3消除自激振荡的方法

自激振荡有幅度条件和相位条件，只要能够使其中的一个条件不符合，电路就可以稳定地工作。

（1）主极点补偿

方法一：

增加主极点在反馈环路中增加一个主极点，并使它远离第二个极点，从而改变环路增益的频率特性，实现频率补偿。

方法二：

改变主极点与前一种方法相比，这种方法在补偿前，后极点的个数不变，只是把原来的主极点左移，使之远离其他极点，直到|AF|波特图上的第二个极点不超过0dB线为止

（2）密勒补偿

主极点补偿中所用的电容和电阻都比较大，在集成电路内部使用比较困难，这是可用密勒效应，将补偿元件跨接在某放大级的输入和输出之间，如图2-6所示。

这样用较小的电容就可以获得满意的补偿效果。

图2-6密勒效应补偿

2.5噪声干扰

放大电路是一种弱电系统，具有很高的灵敏度，因而容易受到接受外界和内部一些无规则信号的影响。

如果这些干扰信号能与有用信号相比较时，那么在放大电路的输出端有用信号将被淹没，妨碍了对有用信号的观察和测量。

因此，噪声和干扰在高灵敏度放大电路中必须要认真对待。

2.5.1放大电路的噪声

噪声的种类及性质：

（1）电阻的热噪声

（2）三极管的噪声：

热噪声，散粒噪声，闪砾噪声。

放大电路的噪声指标--噪声系数

减小噪声的方法：

选择低噪声集成运放。

（1）如果市场产品低噪声集成运放不能满足要求，可用JEFT对管和相关的低噪声元器件组成低噪声放大电路来实现测量

（2）采用滤波处理或引入负反馈来抑制噪声

（3）借助软件的方法，对数据进行处理来减小噪声的影响。

2.6电源电压的波动

由于电路需要直流供电，但是电源电压都是由交流信号转换而来的，或多或少存在交流成份，在实际电路中会对电路性能产生影响如图2-7，因此消除这种影响非常有必要。

图2-7电源电压波动图

解决方案：

对于电源电压中混有50HZ等交流分量的这种情况，我们一般在电源和地线之间串联一个容值较大的电容（一般为1uF）来解决电源电压波动问题。

如图2.7所示。

因为电容有隔直流通交流的作用，当电源电压中有交流分量时，电容器就会把交流成分滤掉，只剩下稳定的直流分量。

图2-8滤除电压波动图2-9电压滤除干扰后

第三章芯片的介绍

3.1OPA2613的芯片简介

3.1.1芯片说明

OPA2613是双片高性能运算放大器，结合出色的直流交流的特点。

他们具有非常低的噪声，高输出驱动能力，高单位增益最大输出摆幅带宽，低失真输入保护二极管和输出短路保护。

3.1.2工作参数

高单位增益带宽：

230MHZ

高增益带宽积：

125MHZ

灵活的供电范围：

单+5V到+12V，双±2.5V到±6V

3.2OPA842的芯片简介

3.2.1芯片说明：

该OPA842提供了一个水平的速度和动态范围高不可攀的单片运算放大器。

使用单位增益稳定电压反馈架构两个内部增益级，OPA842实现极低的谐波失真，有很宽的的频率范围。

经典的差分输入提供了所有熟悉的精密运算放大器的好处。

单位增益稳定使OPA842特别适宜作为低增益差动放大器跨阻放大器，增益+2视频线驱动器，带宽集成，低失真模拟-数字转换器（ADC）的缓冲区。

特点：

单位增益带宽：

400MHZ

增益—带宽积：

200MHZ

非常底的失真：

-93dBc（5MHZ）

高开环增益：

110分贝

3.2.2典型特征

放大倍数随频率的变化

图3-1典型特征

3.3AD811的芯片简介

3.3.1芯片说明

AD811是宽带电流反馈运算放大器，带宽为120MHz，AD811为所有视频系统的绝佳选择。

AD811的设计满足严苛的0.1dB增益平坦度的指标的，宽度为35MHz（G=2）。

AD811非常适合作为ADC或DAC缓冲区中数据采集系统中，由于其低失真高达10MHz和其单位增益带宽宽。

AD811是电流反馈放大器，带宽可以维持在一个较宽的增益范围。

3.3.2典型特征

图3-2典型特征

第四章带宽放大器的硬件实现

4.1系统的设计及其理论分析

4.1.1系统的总体设计

本系统实现目标为，0-53dB可调，带宽为3.9MHZ。

可以分为三个模块，如图所示，第一部分为输入缓冲模块，运放构造电压跟随器作为输入缓冲，同时提高输入阻抗，固定增益将微弱信号放大到适合后级处理的范围。

第二部分为增益可调，实现50dB的增益变化。

第三部为功率放大模块，驱动10欧姆的负载。

图4-1系统框图

4.1.2系统的分块分析

模块一：

输入级放大由电压跟随器和固定增益放大组成。

（1）电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。

电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。

输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。

在电路中，电压跟随器一般做缓冲级（buffer）及隔离级。

因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。

在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。

起到承上启下的作用。

应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。

电压隔离器输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到“隔离”作用。

电压跟随器常用作中间级，以“隔离”前后级之间的影响，此时称之为缓冲级。

基本原理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点。

电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，可以极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。

一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，即使前、后级电路之间互不影响。

（2）固定增益放大，电子电路中的运算放大器，有同相输入端图4-2（a）和反相输入端图4.2（b），输入端的极性和输出端是同一极性的就是同相放大器，而输入端的极性和输出端相反极性的则称为反相放大器。

图4-2（a）同相放大图4-2（b）反相放大

图4.3采用OPA2613作为运算放大器。

前面是电压跟随，输入和输出电压一样，根据虚短和虚断知道5脚和6脚电压都为零。

通过电流相等（Vi-Vn）/1=（Vn-Vo）/10

Vn=Vp=0

Vo=-10Vi

图4-3模块一输入缓冲

模块二：

可变增益模块选用TI公司的高增益放大器OPA842。

把OPA842搭成反相放大电路，通过反馈电阻可调来实现增益可调。

可调电阻与增益的函数关系为：

Vi/R1=-Vo/R2

G（Vo/Vi）=-R2/R1

G（dB）=20ln|-R2/R1|（R1=1kΩ,R2可调）

由于输入的是交流信号所以在R2的阻值上升到10KΩ时电压放大倍数可以达到10倍，也就是20dB。

OPA842的电路原理图如图4-4所示，此处可以实现20dB的动态范围，增益调节的方式为手动调节，通过R2的电阻的可调来实现反馈的可变，最终实现增益可调。

图4-4模块二可控增益

模块三：

此模块需要对前面输出的信号进行功率放大，最后驱动10欧姆负载。

功放由运放扩压输出电路对信号进行电压放大，然后进行电流放大，从而完成功率放大的功能。

电流放大部分采用2N5551和2N5401搭建的甲乙类对称功率放大器。

运放扩压分析，由于需要带动负载，前面二级放大的电压不够，但功放级受工作电压的影响，容易产生失真。

所以采用浮动运放电源的方法进行输出电压扩展。

常规供电方式如图4-5（a）电源电压直接取自稳压源。

图4-5（b）运放供电电压由二个三极管的发射级提供。

R3=R4=R5=R6，忽略三极管导通电压VBE压降。

V+=1/2（Vcc-Vo）+Vo=12+1/2Vo

V-=1/2（-Vcc-Vo）+Vo=-12+1/2Vo

V+-V-=24

下面通过Multisim进行仿真比较：

（a）常规供电（b）改进供电

图4-5运放常规方式和改进供电方式

同时接入频率为1MHZ，振幅为500mV的正弦波，图4-6为示波器的波形

A通道输出（黑线）B通道输入（红线）

（a）常规供电模式的输出波形

A通道输入（黑线）B通道输出（红线）

（b）改进供电的输出波形

图4-6二种供电方式下的输出波形

甲乙类功放分析：

当交流信号为正时，三极管2N5551导通，当交流信号为负时，三极管2N5401导通，但是三极管有一个导通电压，加二极管1N4002是为了克服交越失真，如图4-7和4-8所示，图4-9中的可调电阻是调节偏置电压用的。

图4-7交越失真

图4-8克服交越失真

图4-9模块三功率放大

第五章硬件电路的测试

5.1测试条件

仿真测试通过Multisim软件来实现，Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。

Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。

通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

5.2测试方案及其数据

图5-1整体测试电路图

通过函数信号发生器产生1MHZ，振幅为1mV的电压作为出入，输出端接双通示波器和波特测试仪器。

输出和输出再接万用表测试电压。

由此可知最大增益为52dB。

通道A输入（黑线）通道B输出（红线）

图5-2整体波形

竖线为下降3dB点，从而得知带宽为3.9MHZ。

图5-3波特图

结束语

通过本课题选题开始到查阅资料自己设计与制作，使我对大学课本到的许多专业知识和专业技能有了进一步的理解、体会，当我知道理论和实际是有很大差别的，自己动手了知道，现实中需要考虑的因素比较多。

从一开始确定系统整体方案，到最终系统功能的实现，中间遇到了许多难点，由于导师比较忙，所以在很多情况下，都得自己通过网络或者问同学解决的。

在仿真电路方面，一开始找不到合适的芯片，由于焊接水平首先基本都是找直插式的芯片的，仿真起来基本都是带宽达不到要求，进过反复寻找，才找到合适的芯片。

在增益可调方面一开始用的是通过控制TI公司的VCA810三管脚电压来控制增益，但是发现电路焊接有点麻烦，就通过控制反馈电阻的方式来控制电压增益。

还有一点深刻的体会是，很多文献资料、芯片的pdf文档，都是用英文写的。

为了能大体上理解其意思，我也花费了大量的精力。

这也让我清醒的意识到，专业英语基础要扎实，能够阅读专业英语文献，也是专业素养的表现。

为期一个月的毕业设计即将结束，在这期间我经历了从回忆课本知识，查资料、分析课题到学习软件、设计程序、调试、总结经验教训及书写毕业论文的过程。

可以通过仿真软件Muitisim绘制电路图，对于不同的芯片进行不断的测试，为了能达到课题要求，电路设计简单，经费花费少的目的。

由于条件简陋，虚拟测试的比较多，实际测试比较少，电脑上画电路图比较快，干扰少，能达到更高的参数，但实际做起来会有更大的难度，所以最后选择了刚能达到要求比较简陋的电路图。

致谢

在论文的选题当中，得到了导师王兴和的亲自指导，在课题的实施中，王老师给了我许多可行性建议和帮助，这些帮助是这个课题可以顺序进行的关键。

在论文撰写过程中，王老师对于论文框架和板式进行的查阅，提出了许多建设性的建议，由于导师的帮助，论文才能如期完成。

总的来说毕业设计和毕业论文倾注了导师的许多时间和心血，使我的四年大学生活能有个圆满的结束。

这四年中从各科老师中学会了许多有用的思想和方法，生活上也许多了的做事方法和态度。

这些必将影响我以后的学习生活和工作生活。

自此向大学教过我的老师，尤其是导师王老师表示感谢和致敬。

最后，感谢我的朋友和家人。

参考文献

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电子科技大学。

2004年

[2]康华光，电子技术基础，高等教育学出版社，2006年

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[5]裴忠贵；梅笙，基于VCA822增益自动控制电路，2010年

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[11]粱勤金，一种带宽30MHz_电压增益90dB的视频放大器，1994年

[12]方国军，带宽线性功率放大器的设计，2011年

[13]魏余灵，于善智，带宽75MHz电压增益60dB的放大器，1988年

[14]罗旭全，2~30MHZ功率放大器设计，2009年

[15]王国伟,施树春，可编程带宽运算放大器的设计与实现，2008年

附录

附录1高增益带宽电路图

附录2元器件清单

电容

100PF×4

47PF×1

电阻

1K×3

10K×5

100×1

900×1

4.7K×1

5.7K×1

三极管

2N2219×1

2N2905×1

2N5551×1

2N5401×1

滑动电阻

10K×1

芯片

OPA2613ID×1

OPA842ID×1