全国二等奖_射频宽带放大器_设计方案_设计理论2013-9-8

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。AbstractThisworkdesignsamulti-stageradiofrequencybroadbandamplifierswithOPA842,OPA8009andAD8045.TheefficientDCregulatedpowersupplyisimplemented,andimpedancematchingandanti-interferencetechniquesareusedtoreducenoisesandsuppressthehighfrequencyexcitation,whichcanmakethedesignedamplifierbeingtableandachievetherequirements.Thisdesignhastheadvantangesofhighbandwidth,lownoiseandadjustablegainandcanbeusedtoamplifysmallsignalswithhighgain,lowdistortionandlownoise.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.............................................................................................................22.25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..................................................................................................................9第1页1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，满足系统指标要求。OPA842具有低失真（–93dBc(5MHz)），低噪声（2.6nV/Hz），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。第2页扩展部分，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（−50dBc@100MHz），低噪声（3nV/Hz），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（5500V/µs），高带宽的特点，级联后能满足性能指标。2理论分析与计算2.1宽带放大器设计放大器链路组成如图1.图2所示：OPA842OPA842G1=6G2=6B1=400MB2=400M输入输出图1基本要求放大器组成链路AD8009AD8045AD8045G1=17G2=17G3=17B1=800MB2=1G输入B3=1G输出图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，并在下方根据第3页官方datasheet，在下方标注了理论带宽。2.25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35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。第4页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：180T和dBT0||lg20,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。⑴：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。⑵：整个电路装置放置于防屏蔽铁盒中。⑶：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12RRAV，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。第5页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：多级射频宽带放大器直流稳压电源UiUo高频信号源示波器/高频毫伏表图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DS1102E6位半电压表AGILENT34401A第6页4.3测试结果及分析4.3.1基本要求⑴：幅度调节测试通过调节反馈电位器，能实现0-20dB增益调节，