宽带前置放大电路设计报告.docx

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宽带前置放大电路设计报告

武汉理工大学华夏学院

宽带前置放大电路设计报告

专业班级：

电信1093

姓名：

彭圣华

摘要

本系统设计的宽带前置放大电路由输入阻抗匹配单元、无源衰减网络和有源放大电路三个模块构成，采用电阻分压的形式实现信号的10倍衰减和1倍衰减。

有源放大部分主要采用了TI公司的THS3091和OPA820实现放大1倍和放大10倍，单片机控制继电器实现不同倍程的选择。

操作灵活、测试方便。

本系统实现了信号的带宽拓展和增益的放大，完成了试题规定要求。

关键词

宽带前置放大、无源衰减、有源放大、输入阻抗匹配

目录

1系统方案的论证与选择............................

1.1系统整体框图.................................

1.2输入阻抗匹配单元的论证与选择.................

1.3无源衰减网络的论证与选择.....................

1.4有源放大电路的论证与选择.....................

2系统理论分析与计算..............................

2.1输入阻抗匹配单元.............................

2.2缓冲隔离电路及无源衰减网络...................

2.3有源放大电路................................

3系统硬件设计....................................

3.1输入阻抗匹配单元和无源衰减网络...............

3.2有源放大电路.................................

4电路调试.........................................

5测试方案与测试结果..............................

5.1测试方案...................................

5.2测试条件与测试仪器..........................

5.3测试结果与分析..............................

5.3.1测试结果...............................

5.3.2测试结果分析与结论.....................

附录一：

参考文献....................................

附录二：

系统原理图..................................

1系统方案的论证与选择

1.1系统整体框图

如图1-1所示的系统整体框图

题目要求有源放大电路采用正负5V供电，在正负5V电源及1M欧输入阻抗的条件下进行1倍、10倍衰减，以及1、10倍有源放大。

1.2输入阻抗匹配单元的论证与选择

输入阻抗匹配单元是50Ω和1MΩ，两种输入阻抗采用电阻并联的方式连接。

1.2.1输入阻抗匹配单元的论证与选择

方案一：

采用2个50Ω的定值电阻并联，然后串联相同的一组电阻进行组合，构成50Ω的输入阻抗匹配单元。

方案二：

采用4个100Ω的定值电阻并联，然后串联相同的一组电阻进行组合，构成50Ω的输入阻抗匹配单元。

经比较方案一和方案二可知，方案二具有较强的过载能力，因此选择方案二。

1MΩ输入阻抗直接采用单个1MΩ电阻作为输入电阻

1.3无源衰减网络的论证与选择

1.3.110倍衰减网络的论证与选择

由于是采用纯电阻进行分压衰减，故有如下几种方案：

方案一：

从1MΩ输入阻抗着手，采用大电阻分压的形式衰减。

把1MΩ电阻分成900K和100K的电阻串联，衰减信号从100K部分取出，可以实现信号10倍衰减。

由于该电路是在不同的频率下工作，在高频的情况下，电阻会产生分布电容造成对信号的干扰，因此在该电路电路中电阻两端并联补偿电容。

电路如图1-3-1所示：

方案二：

选1MΩ作为输入阻抗,采用小电阻分压的形式实现信号的衰减，考虑到1MΩ电阻与1K电阻并联，致使输入阻抗降到1K，因此在中间级引入一个高速缓冲器作为隔离，利用高速缓冲器输入阻抗大，输出阻抗小的这一特点，

这样有效的解决了前级输入阻抗单元与后级无源衰减网络的相互影响。

1K电阻分成900Ω和100Ω串联，衰减信号从100Ω部分取出，实现10倍衰减。

由于输入的大信号峰峰值达到10V，故运放AD811采用+/-10V供电。

AD811在增益为1时具有140MHz的带宽，不会限制输入信号的带宽。

电路如图1-3-2所示：

方案三：

采用经典的T型网络对信号进行衰减，在这里选择50Ω的输入阻抗匹配，为了方便计算输出阻抗也选择50Ω。

衰减倍数L=10，

.........................

（1）

........................

（2）

..........................（3）

将

代入

（1）

（2）（3）式得到

电阻参数

说明：

分别表示需要的输入阻抗，需要的输出阻抗，需要的衰减值。

电路如图1-3-3所示：

经比较方案一、方案二可知。

在高频情况下，电阻等效于一个电阻与剩余电感串联然后与分布电容并联。

在低频的情况下，电阻的电感效应和电容效应并不是很明显。

实际上在高频的情况下，电阻的电感效应和电容效应不可忽略，而且对输出信号会造成一定的干扰，使系统变得很不稳定。

特别是大电阻的电感效应和电容效应在高频的情况下比小电阻表现的更加明显。

方案三虽然电路结构简单，但是参数设计过于复杂，而且难以用标称值配成该电路设计的参数。

综上所述，因此选择方案二更加合适。

1.3.21倍衰减网络的论证与选择

方案一：

1倍衰减网络采用单个1MΩ作为分压电阻全部接进电路，衰减信号从1MΩ电阻上方取出。

电路如图

1-3-4所示：

方案二：

1倍衰减网络从50Ω阻抗匹配的单元部分取出

电路如图1-3-5所示：

经比较方案一和方案二可知，考虑到信号源在高频的情况下自身的衰减较为严重，而且信号源的输出阻抗为50Ω，与1MΩ电阻串联分压可以忽略不计，如果采取方案二的话，信号衰减了一半，对于题目要求的大信号，不宜采用此方案。

因此，选择方案一较为合适。

1.4有源放大电路的论证与选择

有源放大电路由放大倍数分别为1、10倍电路组成。

采用同相输入接法，可提高输入阻抗，增大共模抑制比。

且均采用题目要求的+/-5V电源供电。

1.4.11倍放大电路的论证与选择

方案一：

1倍放大采用AD公司的高速运放AD811，增益为1时带宽为140MHz，压摆率为2500V/us,满足题目DC-35MHz的带宽要求，AD811为电流反馈型运放，其增益和带宽是相互独立的，即其增益带宽积不随输入信号频率的增高而减小。

1倍放大电路电路图如图1-4-1所示：

方案二：

1倍放大采用TI公司的低噪声，低失调，电流反馈型高速运放THS3091，增益为5时，大信号放大输出为20Vpp，压摆率为7300V/us。

增益为1时带宽为180MHz。

1倍放大电路电路图如图1-4-2所示：

经比较方案一、方案二可知，考虑到放大电路带宽拓展和输入信号的幅值较大，比较THS3091和AD811芯片手册上的相关参数，对于放大1倍带宽特性，THS3091优于AD811。

因此选择方案二较为合适。

1.4.210倍放大电路的论证与选择

方案一：

10倍放大电路也用TI公司的高速宽带放大器OPA690，其增益带宽积为500M，转换速率为1800V/us。

采用OPA690单级放大，输入端匹配一个180Ω的电阻，采用百欧数量级的电阻作为作为反馈电阻。

10倍放大电路如图1-4-3所示：

方案二：

采用两级放大以降低电路对芯片大带宽和高转换速率的要求。

采用两片TI公司的OPA820级联放大，输入到前级运算放大器的信号幅值较小，为了减小动态误差，采用前级放大5倍后级放大2倍。

10倍放大电路图如图1-4-4

所示：

经比较方案一、方案二可知。

由于大信号的放大对于芯片要求有较高的转换速率和带宽，采用单级放大很难达到10MHz带宽，而采用级联运放大大降低了降低电路对芯片大带宽和高转换速率的要求，因此选择方案二较为合适。