基于寬帶高增益的放大器設(shè)計(jì)

陳亮名，楊 昆

（西南交通大學(xué) 四川 成都 611756）

基于寬帶高增益的放大器設(shè)計(jì)

陳亮名，楊 昆

（西南交通大學(xué) 四川 成都 611756）

文中介紹了一種基于集成運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的寬帶高增益放大器，本系統(tǒng)創(chuàng)造性地利用兩級(jí)寬帶運(yùn)放VCA822壓控放大，寬帶運(yùn)算放大器OPA690輸出，完成了一個(gè)通頻帶50 kHz～40 MHz，增益0～68 dB可調(diào)的寬帶高增益放大器。放大器噪聲小，通頻帶范圍寬，最大放大倍數(shù)大，后級(jí)加入了開(kāi)關(guān)手動(dòng)切換的自動(dòng)增益控制電路模塊，自制電源降壓模塊。系統(tǒng)采用多種方式消除了高增益，高頻自激。放大器輸入輸出阻抗均為50 Ω，方便和前后級(jí)電路匹配。

VCA822；壓控增益；自動(dòng)增益控制；寬帶放大器；放大倍數(shù)

當(dāng)代無(wú)線(xiàn)通訊領(lǐng)域中，寬帶高增益放大器必不可少，但隨著電子電路的發(fā)展，通信系統(tǒng)對(duì)其帶內(nèi)平坦度，增益范圍，帶寬，噪聲等性能指標(biāo)提出了越來(lái)越高的要求。特別是在通行鏈路的傳輸中，寬帶高增益放大器是其中的關(guān)鍵設(shè)備，因?yàn)樵趥鬏斶^(guò)程中，放大器的特性易受環(huán)境，材質(zhì)，溫度噪聲等多方面的影響，也就造成該技術(shù)的研制設(shè)計(jì)一直是生活，工業(yè)，軍用，醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域的前沿課題，其研究?jī)r(jià)值極大。微電子技術(shù)，芯片工藝的發(fā)展帶動(dòng)了通信電路的進(jìn)步，寬帶高增益放大器被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)，無(wú)線(xiàn)通信，導(dǎo)航，衛(wèi)星通訊，電子對(duì)抗技術(shù)等，研究其高頻，高增益，低失真，低噪聲的放大器特性具有非常重要的意義[1]。目前寬帶高增益放大器一般線(xiàn)性度不好，噪聲大，設(shè)計(jì)難，易自激等缺點(diǎn)，文中給出了一種寬帶高增益放大器的具體設(shè)計(jì)及消除自激的方法。

1 系統(tǒng)電路

1.1 系統(tǒng)組成

本寬帶高增益放大器由寬帶放大模塊、自動(dòng)增益控制模塊、電源模塊組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1.2 寬帶放大模塊

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of the system

寬帶放大器由兩級(jí)寬帶壓控放大器，配合寬帶運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，電路原理圖見(jiàn)圖2。兩級(jí)構(gòu)成的寬帶壓控放大部分完成了0～52 dB動(dòng)態(tài)范圍的增益可調(diào)，使用進(jìn)行可調(diào)電壓放大達(dá)到最大電壓增益為16 dB，使整體的增益達(dá)到68 dB。

VCA822是一款直流耦合型寬頻帶壓控增益放大器，最大工作頻帶寬度可到達(dá)150 MHz，增益大于40 dB的控制范圍，160 mA的輸出電流，并且具有優(yōu)越的噪聲特性和高精度的增益控制。放大器增益由控制電壓和外圍電阻阻值共同決定[2]。在控制電壓的作用下，該器件可提供精確的增益，且按V/V線(xiàn)性變化，且有良好的穩(wěn)定性。同時(shí)在后級(jí)加入500 MHz的電壓反饋型運(yùn)放OPA690。若只采用1級(jí)VCA822直接放大的話(huà)，很容易在Av≥30 dB和高頻的時(shí)候產(chǎn)生自激，因此，我們采用3級(jí)級(jí)聯(lián)分別進(jìn)行放大的方案。

根據(jù)TI提供的VCA822數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以決定外圍電阻的具體參數(shù)。由單級(jí)放大倍數(shù) Av（max）=20＞10，則 1.33 kΩ＜Rf＜845 Ω；通過(guò) Av（max）=2Rf/RG選擇 133 Ω＜RG＜84 Ω；增益控制電壓VG由電位器對(duì)電源降壓后的+5 V分壓后獲得。VCA822 的 IRGmax=2.6 mA，VINmax（VPP）=2RG*IRGmax，因而RG決定了該器件的輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。這和放大倍數(shù)是一對(duì)矛盾，必須根據(jù)實(shí)際要求選擇合適的 RG，RF[3]。OPA690用于后級(jí)功率放大，實(shí)現(xiàn)放大器具有較大的輸出電壓與功率。采用運(yùn)放的典型負(fù)反饋電路，其外圍電阻值采用數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦值。

圖2 放大模塊原理圖Fig.2 Schematic amplifier module

1.3 自動(dòng)增益控制模塊

自動(dòng)增益控制（AGC）是對(duì)放大器的增益進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的過(guò)程。為了使隨輸入信號(hào)電平變化而引起的輸出信號(hào)變化少，這樣輸入不同幅值的電壓就可以得到相同量的輸出，從而相當(dāng)于調(diào)節(jié)放大器增益。電路基本原理是在輸出端VOUT接入由三極管構(gòu)成的檢波電路，輸出一個(gè)和VOUT成比例的電流，經(jīng)電容電阻充放電轉(zhuǎn)換成電壓，用改該電壓反饋回去加到增益控制端VG，就可以起到穩(wěn)幅的效果，明顯此處為負(fù)反饋。電路原理圖如圖3所示[4]。

圖3 自動(dòng)增益原理圖Fig.3 Automatic gain schematics

由于三極管非線(xiàn)性，RC充放電電路等隨頻率改變而改變，固電路的具體參數(shù)由輸入信號(hào)的幅度與頻率的不同而需現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。

1.4 電源模塊

由于該設(shè)計(jì)要求高頻噪聲小，電源的要求很高，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源一般有較大的高頻分量，固電源采用線(xiàn)性降壓方案，由變壓器降壓部分、全波整流，濾波部分、穩(wěn)壓部分組成，電路原理圖如圖4所示。采用LM317，7812，7805，分別提供正可調(diào)，+12 V，+5 V 電源；LM337，7912，7905 分別提供負(fù)可調(diào)，-12 V，-5 V電源。為整個(gè)系統(tǒng)提供±5 V或者±12 V電壓和2～20 V可調(diào)直流輸出，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡(jiǎn)單，都采用三端穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)，故不作詳述[5]。

圖4 電源原理圖Fig.4 Power supply schematic

2 系統(tǒng)安裝調(diào)試

在安裝調(diào)試過(guò)程中，遇到了幾個(gè)主要的問(wèn)題：電路自激，直流偏置嚴(yán)重，噪聲較大。但通過(guò)不斷分析，調(diào)試，找原因并解決了：

1）由于VCA822的輸入失調(diào)電壓為10 mV級(jí)，失調(diào)電流為μA級(jí)，因此在各級(jí)輸出端可能出現(xiàn)直流偏置，因此，采用各級(jí)之間加入交流耦合電容進(jìn)行隔直來(lái)消除直流的影響。

2）由于本系統(tǒng)中的運(yùn)放OPA690采用的負(fù)反饋均運(yùn)放單級(jí)反饋，故應(yīng)注意使每級(jí)運(yùn)放自身產(chǎn)生的附加相移φa＜180°。在電路調(diào)試過(guò)程中，對(duì)于電壓反饋型運(yùn)放OPA690，我們可以引入電阻、電容，且在f0處產(chǎn)生的附加相移ΔφB，若使得ΔφB+ΔφA+ΔφF≠Nπ（N 為奇數(shù)），則自激振蕩得以消除。 對(duì)于寬頻帶壓控增益放大器VCA822，我們特別注意了走線(xiàn)布局，如采用雙面板，采用一面作為地線(xiàn)層，采用貼片元件；注意各級(jí)元件的合理布局布線(xiàn)；與函數(shù)發(fā)生器連接的輸入信號(hào)采用屏蔽線(xiàn)頭[6]。

3）同時(shí)，本系統(tǒng)的信號(hào)非常小，要求輸入電壓有效值Ui≤1 mV，因而，應(yīng)合理地采取抗干擾措施來(lái)提高放大器的穩(wěn)定性，系統(tǒng)全部采用印制板，減小了寄生電容和寄生電感的影響；采用銅板大面積接地，減小地回路；級(jí)間采用同軸電纜相連，避免級(jí)間干擾和高頻自激。

4）為了提高高頻放大器的穩(wěn)定性，在對(duì)VCA822的設(shè)計(jì)中，我們特別注意了電阻值的合理取值，因?yàn)槠渫鈬拿恳粋€(gè)電阻的取值都會(huì)影響其工作的穩(wěn)定性。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果

Ui=1 mV 條件下，測(cè)得 Av（max）=68 dB。

表1 測(cè)試儀器表Tab.1 Test equipment

Av=60 dB條件下，測(cè)得放大器的通頻帶為50 kHz～40 MHz。

Av=60 dB條件下，將輸入端短路，測(cè)得輸出端噪聲電壓峰峰值UoNpp=270 mV。

輸出波形無(wú)明顯失真的條件下，測(cè)得最大輸出正弦波電壓有效值Uo=1.76 V。

4 設(shè)計(jì)總結(jié)與展望

根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度在于高頻帶寬范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高增益放大，系統(tǒng)容易產(chǎn)生自激。該電路方案實(shí)現(xiàn)了放大倍數(shù)68 dB，帶寬從50 kHz-40 MHz，噪聲電壓小。設(shè)計(jì)得到以下設(shè)計(jì)與展望：

1）由于我們現(xiàn)有的儀器條件限制，信號(hào)幅度輸出小時(shí)噪聲大，造成輸出波形噪聲較大。

2）放大器的增益最大可達(dá)70 db，但超過(guò)70 db后放大器容易出現(xiàn)自激振蕩，如改善電路加入補(bǔ)償放大倍數(shù)還可以提升。

3）放大器最大輸出幅度峰峰值可達(dá)5 V，在驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，通頻帶超過(guò)40 MHz，帶內(nèi)失真小，但帶內(nèi)衰減較大，主要是由于最后一級(jí)OPA690放大高頻特性限制，如果繼續(xù)改善補(bǔ)償電路，可將通頻帶內(nèi)起伏控制得更小，并繼續(xù)拓寬帶寬。

4）通過(guò)設(shè)計(jì)，調(diào)試，分析，我們給出了壓控運(yùn)放VCA822的外圍電路設(shè)計(jì)方法，消除自激方法，及輸出控制方法。這也是本文的價(jià)值所在。

5 實(shí)物展示

系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示。

6 結(jié) 論

本研究通過(guò)對(duì)寬帶高增益放大器的設(shè)計(jì)，說(shuō)明了寬頻帶，高增益放大器是設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于減小高增益低頻的噪聲，消除高增益高頻的自激，通過(guò)理論分析與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，解決了降低噪聲、消除自激的電路設(shè)計(jì)方法，為寬頻帶，高增益放大器的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

圖5 系統(tǒng)實(shí)物Fig.5 Physical of system

[1]朱穎，何樂(lè)年，嚴(yán)曉浪.高速高增益運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2008，13（2）：32-35.

ZHU Ying，HE Le-nian，YAN Xiao-lang.High-speed highgain op amp circuits and systems design and application[J].Circuits and Systems，2008，13（2）：32-35.

[2]Texas Instruments.VCA822 Wideband，＞40dB Gain Adjust Range，Linear in V/V VARIABLE GAIN AMPLIFIER[EB/OL].[2007].http:www.ti.com.

[3]談雪梅，俞亞珍.寬帶可控增益放大器的設(shè)計(jì)[J].常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，12（3）；32-34.

TAN Xue-mei，YU Ya-zhen.Broadband controllable gain amplifier design[J].Changzhou Light Industry Vocational Technical College，2008，12（3）：32-34.

[4]沈偉慈.通信電路[M].2版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[5]康華光，陳大欽，張林.電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[6]閆穩(wěn)，王梅，張楨.一種高速運(yùn)算放大器電路自激振蕩機(jī)理分析與改善方法[J].通信電源技術(shù)，2010，27（4）:27-31.

YAN Wen，WANG Mei，ZHANG Zhen.A high-speed operational amplifier circuit self-oscillation mechanism analysis and improvement of methods of communication power supply technology[J].Telecom Power Technologies，2010，27（4）:27-31.

Based on broadband high-gain amplifier design

CHEN Liang-ming，YANG Kun
（Southwest Jiaotong University， Chengdu 611756， China）

This paper describes an approach based on integrated operational amplifier for wideband high gain amplifier，this system creative use two wideband voltage controlled amplifier VCA822， with wideband op amp OPA690， completed a passband 50 kHz～40 MHz， 0～68 db adjustable gain broadband high-gain amplifiers.Amplifier noise， the pass band range， a large maximum magnification level after adding the switching manual switching automatic gain control circuit module power down module is made.System uses a variety of ways to eliminate the high-gain，high-frequency self-excited.Amplifier input and output impedances are 50 Ω，convenient and front stage circuit match.

VCA822；VCO gain；AGC；broadband amplifier

TN721.1

A

1674-6236（2014）15-0146-03

2013-12-02 稿件編號(hào)：201312007

陳亮名（1993—），男，湖南邵陽(yáng)人。研究方向：自動(dòng)化。