高频作业.docx
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高频作业
通信基本电路课程设计报告
设计题目：
高频小信号放大电路设计
专业班级电科11-02班
学号311108001512
学生姓名郭勇宏
指导教师王立国
教师评分
2013年12月18日
目录
目录1
一、设计任务与要求2
二、总体方案2
2.1总体流程图2
2.2总体方案的分析与选择2
2.3前级放大模块论证与选择3
2.4带通滤波论证与选择3
2.5增益可调放大论证与选择3
2.6衰减网络论证与选择4
2.7调零电路论证与选择5
2.8直流稳压电源论证与选择5
三、设计内容6
3.1带通滤波6
3.2增益调整7
3.3电源分析7
3.4仿真分析9
四、电路制作和调试9
4.1系统框图9
4.2实物图10
4.3测试方案及测试条件11
4.3.1测试方案11
4.3.2测试条件11
4.3.3测试结果11
4.3.4测试结果分析11
五、总结12
六、参考文献12
一、设计任务与要求
可以围绕为了熟悉高频电子线路课程,学习mutilsm和altiumdesigner仿真软件的使用，以及锻炼对高频信号处理及分析的能力，掌握高频小信号产生，处理及分析等知识，此次本课程设计主要任务为射频宽带放大器，其主要包括三部分：
前置放大、带通滤波和增益可调放大。
主要需要实现在4Mhz频率输入情况下达到如下指标：
（1）电压增益Av≥60dB，输入电压有效值Ui≤20mV。
Av在0～20dB范围内可调。
（2）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。
二、总体方案
AD8099一级可调放大
10Mhz无缘滤波
AD8099二级可调放大
AD8009三级可调放大
前端放大
2.1总体流程图
2.2总体方案的分析与选择
方案一：
电路采用五级结构，顺序分别为前级放大、低通滤波、增益可调放大、高通滤波、增益可调放大。
优点：
将滤波低通和高通分开，不需匹配阻抗简单。
缺点：
因为高通滤波的衰减，要要想达到放大倍数就必须再增加一级放大。
方案二：
电路采用三级结构，分别是前级放大、带通滤波、单片机控制的增益可调两级放大。
优点：
可实现步进调节增益，并且电路较为简单。
缺点：
数字和模拟信号在高频时可能产生干扰，波形的稳定性差。
方案三：
电路采用四级结构，分别是前级放大、带通滤波、手动增益可调两级放大
优点：
信号经过放大后虽然经过放大但经过后级带通滤波后信号又被衰减回原来的数值所以可实现0-60dB可调，并且题目中没有要求步进可调，那么有手动电阻调节也可以。
综上本系统选用方案三
2.3前级放大模块论证与选择
按题目要求对20mV有效值以下的小信号经行放大，要求对信号的干扰要小，所以必须采用一定方法减小对采集信号的干扰。
方案一：
前级采用低噪声高共模抑制比运放，最小可放大1mV有效值信号。
方案二：
可采取对前级加屏蔽盒，减少外界环境电磁波干扰。
方案三：
选择低噪声高共模抑制比的电压反馈型运放AD8099，并将整体放入屏蔽盒
内，减少干扰。
综上选用方案三
2.4带通滤波论证与选择
方案一：
采用LC椭圆滤波器
优点：
具有极好的衰减特性。
缺点：
通频带范围内波形不够平缓。
方案二：
采用巴特沃斯型LC无源滤波，使用7阶K型低通滤波和3阶M型高通滤波进行级联，设计一个带通滤波电路，可以满足10M的要求。
优点：
电路结构简单、连接方便且不会引入噪声，并且巴特沃斯型滤波电路在通频带内波形平缓，各方面特性都很好。
综上选用方案三
2.5增益可调放大论证与选择
方案一：
两级AD603连接并结合数字电阻9313进行增益可调放大，可变增益放大器AD603的控制电压与增益呈线性关系，其增益为G（dB）=40×VG+G0。
其中，VG为差分输入电压，VG范围为-500～500mV。
G0是增益起点，接入不同反馈网络时G0也不同。
优点：
可由单片机控制实现步进调节
缺点：
AD603容易自激，受外界影响较大
方案二：
AD8099级连AD8009并结合特征阻值进行增益可调放大，电压稳定，AD8099的是一款超低噪声（0.95nV）和超低失真（-92dBc@1MHz）的电压反馈运算放大器，这两种特性相结合使其非常适合用于16位和18位系统。
AD8099具备一个高线性度、低噪声输入级，可以在低增益下通过高转换速率来增加全功率带宽。
AD8099具备外部补偿，从而允许用户设置增益带宽积。
外部补偿可实现+2至+10的增益，并且频宽折中最小。
它还具备的极高压摆率，从而可以灵活地使用整个动态范围，而不影响带宽或产生失真。
稳定时间为18nS（稳定度0.1%），过载恢复时间为50nS.AD8099可在电源电流仅为15mA的情况下驱动负载。
AD8099的电源电压范围为5V至12V，失调电压为（典型值），带宽为（增益为+2时），增益带宽积（GBWP）为，适合于各种应用。
AD8009是一款超高速电流反馈型放大器，压摆率达到惊人的5,500V/µs，上升时间仅为545ps，因而非常适合用作脉冲放大器。
高压摆率可降低压摆率限幅效应，使大信号带宽达到440MHz，从而满足该电路贷款的要求
综上选用方案二
2.6衰减网络论证与选择
衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。
有源衰减器与其他热敏电阻相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。
无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器。
方案一:
用滤波电路进行衰减
优点：
精确可控。
缺点：
电路复杂，适合于对衰减要求高的电路。
方案二:
使用桥型衰减器。
优点：
衰减效果好。
缺点：
对高频信号造成干扰。
方案三：
选择π型或T型网络衰减，适合高频信号。
综上选择方案三
2.7调零电路论证与选择
方案一：
因为AD8009为电电流型反馈运放，不具有调零端，而失调电压却是一个很重要的技术指标，所以为抑制噪声可以加调零电路，调零电路的形式如下所示：
不改变精密运放漂移的失调调零电路如图（a）和（b）所示。
图（a）为低漂移精密运放，图（b）为加法器失调调零电路。
由图（b）可知当R4=RF2时，Av2=1即为
跟随器。
对于图（a），若R1=R2=1kΩ，R3=RF1=1MΩ，则Vol=R3／（R2R3）·（1RFl／Rl）·Vi2-RFl／Rl·Vil。
显然Al的电压增益很大，因而其输出电压中将含有A1的失调电压。
当把A1的输出加到A2的输入端时，在A2的输出端就包括两级（A1和A2）的失调电压成分。
A2的反相输入端外接R5和电位器Rp，它们构成失调调零网络，Rp的两端分别加±l5v的电源电压，调整电位器Rp的滑动臂。
可微调A2的偏置电流，故可使A2的失调输出为零，因A1的增益大，A2的Av2=-1，因而Vo中的失调电压主要决定于A1，同时，因为A2的失调电压输出较小．故A2可采用一般通用的集成运放，而A1需采用高精度的集成运放。
优点：
能进行精准调零并且这种调零方法具有通用意义。
缺点：
在高频信号中不一定适用，会造成干扰；电路结构复杂。
方案二：
采用三个电容并联串入电路中，这样既能保证高频信号的通过，又避免了前一级对后一级的直流干扰，适合本题使用。
综上选择方案二
2.8直流稳压电源论证与选择
方案一：
线性稳压电源，包括并联型和串联型两种结构。
并联型电路复杂，效率低，仅用于对调整速率和精度要求较高的场合；串联型电路比较简单，效率较高，尤其是若采用集成三端稳压器，更加方便可靠。
方案二：
开关稳压电源。
此方案效率高，但电路复杂，开关电源的工作频率通常在几十～几百KHz，基波与很多谐波都在本放大器通频带内，很容易带来串扰。
因此为满足系统要求，我们采用方案一中串联型稳压电源。
综上选择方案二
3、设计内容
3.1带通滤波
因为这次滤波电路对衰减幅度要求不高，但对通频带的稳定性要求很高，所以采用巴特沃斯无源滤波具体步骤如下:
先设计T型低通滤波
A、根据陡度系数确立衰减阶数As=20/15=2（实际操作2阶并不能满足要求7
阶才能满足要求）
B、根据下表确立电路形式，获得RC归一化值
C、取Z=50ΩFSF=2πf0=1.256M
C=C1/（FSF?
Z）得出所有的电容值
L*=L?
Z/FSF得出所有的电感值
电路图如图所示：
20M的滤波电路
3.2增益调整
通过后面两级AD8099和一级AD8009实现增益可调,对于AD8099，Au=R2/R4;对于AD8009，Au=R10/R15.
AD8099
说明：
R2的阻值可在250-499Ω可调，放大倍数为R2/R4，因为放大倍数小于15，
所以需要进行外部补偿；5脚接电容是参照的典型电路。
必须接上，否则会自激。
AD8009
说明：
数据手册中给的是最大为20db,AD8009的增益不是很大，只是应为带宽大而
应用于RF中。
AD8009是电流反馈放大器，使用起来有很多要注意的地方,在后面接负载时时间不宜过长，否则会发烫，测量时可选用10倍的探笔。
3.3电源分析
该电源分为两部分：
正负可调部分：
直流稳压电源工作流程为降压、整流（把交流电变直流电），输入滤波、三
端稳压器稳压、输出滤波五部分。
220V的交流电从直流稳压电源插头经保险
管送到变压器的初级线圈，并从次级线圈感应出经约9V的交流电压送到4个二极管。
二极管在电路中的符号有短线的一端称为它的负极（或阴极），有三角前进标志的一端称为它的正极（或阳极）。
基本作用是只允许电流从它的正极流向它的负极（即只能按三角标示的方向流动），而不允许从负极流向正极。
我们知道，交流电的特点是方向和电压大小一直随时间变化，用通俗的话说，它的正负极是不固定的。
但是不管从变压器中出来的两根线中哪根电压高，电流都能而且只能由D3或D4流入右边的电路，由D1或D2流回去。
这样，从右的电路来看，正极永远都是D3和D4连接的那一端，负极永远是D1和D2连接的那一端。
这便是二极管整流的原理。
二极管把直流稳压电源交流电方向变化的问题解决了，但是它的电压大小还在变化。
而电容器有可以存储电能的特性，正好可以用来解决这个问题。
在电压较高时向电容器中充电，电压较低时便由电容器向电路供电。
这个过程叫作滤波。
图中的C1便是用来完成这个工作的。
经过C1滤波后的比较稳定的直流电送到三端稳压集成电路LM317T的Vin端（3脚）。
LM317T是一种这样的器件：
由Vin端给它提供工作电压以后，它便可以保持其+Vout端（2脚）比其ADJ端（1脚）的电压高1.25V。
因此，我们只需要用极小的电流来调整ADJ端的电压，便可在+Vout端得到比较大的电流输出，并且电压比ADJ端高出恒定的1.25V。
我们还可以通过调整PR1的抽头位置来改变输出电压－反正LM317T会保证接入ADJ端和+Vout端的那部分电阻上的电压为1.25V！
所以，可以想到：
当抽头向上滑动时，直流稳压电源输出电压将会升高！
固定部分78和79系列分别是正电压和负电压串联稳压集成电路，体积小、集成度高、线性调整率和负载调整率高，在线性电源时代占领了很大市场。
它构成的电源与可调的唯一区别在于芯片，其它部分和正负可调部分一样。
3.4仿真分析
失真电路仿真不失真电路仿真
一图失真主要是因为放大器放大倍数超出了其频带宽度，导致了失真，所以调整放大倍数到合适倍数，即可得到不失真的电路，另外我们所用的放大器为AD8099，它是只有在特定比值电阻下，达到特定的放大倍数，可调性较差，但是放大效果比较稳定。
四、电路制作和调试
4.1系统框图
4.2实物图
4.3测试方案及测试条件
4.3.1测试方案
首先进行直流测量，将输入端接地，将输出端接到示波器上，看是否输出杂
波。
然后进行交流测量先给第一级一个信号看放大倍数是否满足要求，满足要求
后测第二级滤波，可通过扫频仪也可通过电频测试法，我们采用电频测试在纸上
描绘出曲线，看是否达到要求。
成功后测试后两级放大，分级调试均成功后将各级连接到一起，进行最后的测试。
4.3.2测试条件
测试条件：
检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：
高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，
指针式万用表。
4.3.3测试结果
测试项
理想情况
实际情况
输入小于1mv信号时
输出平滑的1v波形
输入信号太小，波形不稳定
电压增益
Av≥60dB
AV=50dB
波形特性
放大器在BW-3dB的fH≥
15MHz，并在1MHz～10MHz频
带内增益起伏≤1dB。
噪声电压
Uonpp≤100mv
Uonpp=80mv
4.3.4测试结果分析
上述结果是在电源电压5V的情况下测得的，因为对输入端除噪处理的程度
不够，所以不能区分1mv电压和干扰信号；当增大输入时，可此的完整波形，
增益最大可达到50dB;滤波特性是使用扫频仪测量得到的，受外界干扰较大；因
为最后一级使用电流反馈型运放进行增益可调放大，电流型运放本身噪声就较大，所以输出端噪声电压达到80mv。
5、总结
本设计主要是设计了一个窄带高频放大电路，其主要目标为对输入信号为4MHZ的小信号进行不失真放大处理。
整个设计下来整体效果良好，成功完成了目标任务，并且达到了我设计时的预期，即：
fH≥5Mhz时，放大倍数≥60dB，噪声电压≤100mv的放大目标，而且还达到了0~20dB可调的预期目标。
至于不足方面，对于AD8099和AD8009两个运放使用存在很大的不确定性，一方面是我对这两款芯片还不够熟悉，掌握程度不够，另一方面其本身的使用法则问题的限制；
其次是这个电路在噪声信号处理和环境杂波处理等方面存在严重不足，即仿真效果与实际电路效果差距有点大，稳定性大大变差。
在此仅仅针对高频小信号处理，我有以下几点心得建议：
1、选芯片时尽量选择带宽比较大，失调电压较小，共模抑制比较大等
2、在硬件电路设计方面
2.1运放最好采用双电源供电，这样噪声小，并且选用线性电源。
2.3电感竖直放置，防止切割磁感应线。
2.4采用屏蔽盒，防止外界高频干扰。
2.5正电源与地、负电源与地之间都到接上瓷片电容排除电源干扰。
2.6在布局电路时，电阻，电容等元器件尽量以其中心放大芯片为中心，尽量紧靠，另外在输入与输出方面，尽量远离，谨防干扰，每条输入线最好都匹配一条平行的地线防止自激
六、参考文献
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