寬帶低噪聲放大器設(shè)計畢業(yè)設(shè)計講解

1、學(xué)號本科畢業(yè)設(shè)計學(xué)院專業(yè)年級姓名設(shè)計題目 寬帶低噪聲放大器設(shè)計指導(dǎo)教師 職稱* 年 * 月 * 日目錄摘要 .1.Abstract.Abstract. .1.1概述 .1.2低噪聲放大器設(shè)計的原理 2.2.1噪聲系數(shù) . 22.2低噪聲放大器的功率增益以及分配電壓增益 . 22.3端口駐波比 . 32.4工作帶寬與增益平坦度 . 32.5動態(tài)范圍以及壓縮點 . 32.6三階截斷點 . 42.7低噪聲放大器的穩(wěn)定性 . 43器件的選擇 .4.3.1放大器的選擇 . 53.2放大器的介紹 . 53.3電源的供電 . 53.4選用器件的介紹 . 54模擬電路設(shè)計 .5.4.1方案選擇 . 64.2模

2、擬電路設(shè)計 . 64.3電源電路 . 65電路的調(diào)試 .8.5.1調(diào)試過程 . 85.2測試結(jié)果 . 85.3系統(tǒng)的改進(jìn)措施 . 106總結(jié) 1.1. .參考文獻(xiàn) .1.1. .學(xué)號：寬帶低噪聲放大器設(shè)計學(xué)生姓名： *學(xué) 院：專業(yè)：指導(dǎo)老師：職稱：摘 要：本文介紹了一個 15V 單電源供電的低噪聲放大器設(shè)計，設(shè)計采用三級級 聯(lián)的方式。該系統(tǒng)主要是寬帶低噪聲放大器， 為了滿足要求， 采用了高速運算放大器 a741作為前兩級放大，末級用 CA3140 作為功率放大電路。測試結(jié)果表明，放大倍 數(shù)為 100 倍，帶寬有 1MHz。關(guān)鍵詞： a74；1 放大器；帶寬；噪聲系數(shù)TheThe designd

3、esign ofof thethe lowlow noisenoise amplifieramplifier withwith broadbandbroadbandAbstract:Abstract: This article describes the design of a single 15V power supply and low noise amplifier. The system has three amplifier consisted of a741 and CA3140, which meet the requirements of broadband and low n

4、oise. Test results show that a amplifier with bandwidth 1MHz is 100 times.Keywords:Keywords: a741；amplifier；Bandwidth；noise figure1 1 概述 我們知道低噪聲放大器是射頻電路的重要組成部分， 并且在有源濾波器等電子電 路當(dāng)中寬帶低噪聲放大器起著重要作用。 而且在射頻微波電路當(dāng)中， 放大器也起著重 要作用，它的好壞直接決定了射頻微波電路的功能的實現(xiàn)，具有很重要的現(xiàn)實意義， 所以在制做低噪聲放大器的時候我們要注意它的各項指標(biāo)是否能夠達(dá)標(biāo)。除此之外， 我們知道隨著社會的發(fā)

5、展， 以及各項科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 對通信帶寬的 要求也越來越寬因此各種通信設(shè)備在寬頻帶上的工作要求不再是以前的一個或者幾 個頻點。由于我國對放大器設(shè)計的技術(shù)相對來說還不算很先進(jìn)， 所以更需要后起之秀 對放大器設(shè)計進(jìn)行進(jìn)一步的探索和研究。隨著時代的發(fā)展，人們對通信質(zhì)量的要求也更高，其中包括要使工作頻率更高、 工作頻率更寬以及噪聲系數(shù)更小， 這已經(jīng)成為各項科學(xué)技術(shù)設(shè)備發(fā)展的趨勢。 本文介 紹了一種比較簡單易行的寬帶低噪聲放大器設(shè)計方法。 本設(shè)計利用具有低噪聲， 高速 運算的放大器 a74，1 以及 DC-DC 交換器 TPS61087DCR 作為此寬帶的噪聲放大器 設(shè)計的核心。希望這個系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)通

6、頻帶為 10MHz, 電壓增益為 40dB，負(fù)載為 50 歐姆時，所輸出電壓峰峰值是 12V 等等這些指標(biāo)。此方法在設(shè)計過程中容易實現(xiàn)， 并且所需成本比較低，對設(shè)計寬帶低噪聲放大器可謂是一種不錯的方法。2 2 低噪聲放大器設(shè)計的原理2.12.1 噪聲系數(shù) 在射頻微波系統(tǒng)當(dāng)中， 噪聲不僅包括外部環(huán)境所產(chǎn)生的噪聲也包括電路自身產(chǎn)生 的噪聲兩個部分。放大器的噪聲系數(shù)可用 NF 來表示，它的定義式如（ 2-3）所示。M1 Si n Ni n（2-1）M 2 So u t N o u t（ 2-2）NF M1 M2（2-3）其中，輸入端口的信號功率用 Sin 表示，輸入噪聲功率用 Nin 表示；輸出端口

7、的信 號功率用 Sout 表示，輸出噪聲功率用 Nout 表示。信號功率與噪聲功率的比值也就是放 大器的信噪比，噪聲系數(shù)也就是輸入信噪比與輸出信噪比的比值。上面式子的物理意義就是： 如果信號通過放大器之后， 因為存在噪聲就會得到不 同的信噪比，從而信噪比就會下降，下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。2.22.2低噪聲放大器的功率增益以及分配電壓增益功率增益是本設(shè)計的一個重要指標(biāo)。 其中在很多設(shè)計當(dāng)中每一步都有很多種對功 率增益的定義， 而且每一種定義都會給出關(guān)于放大器性能的一些信息， 每次設(shè)計都可 以根據(jù)不同的指標(biāo)設(shè)計出合適的放大器類型。 一般情況下的定義以及使用的定義有三 種功率增益：一種是工作功率增益

8、即 G= pl pavn ，此式子表示傳送到負(fù)載的功率與傳到二端口 網(wǎng)絡(luò)的輸入端的功率的比值。另一種是可用功率增益即 G= P avn Pavs ，此式子表示二端口網(wǎng)絡(luò)的可用功率與源 的可用功率的比所得到的結(jié)果。最后一種是轉(zhuǎn)換功率增益即 G=P l Pavs ，此式子表示傳送到負(fù)載的功率比上來自 源的可用功率所得的結(jié)果。這些都是對增益的度量，對計算具有更好的計算結(jié)果。 對于多級放大電路的分配電壓增益， 它的上限頻率與組成它的各級放大級上的上 限頻率之間存在一定的近似關(guān)系， 這個近似關(guān)系如下所示： 若將兩個相同的頻率特性 信號輸入放大器，其中每一級的上限頻率是 fh1，那么兩級放大電路的總的上限

9、頻率 是 fh=0.64fh1 ；如果將三個相同的頻率特性的放大級組成放大電路，其中每一級的上 限頻率是 fh1，那么三級放大電路總的放大頻率上限是 fh=0.5fh1。所以要想使級聯(lián)時 不會有太多的頻率衰竭，就必須要合理的調(diào)整各級的放大倍數(shù)。在此實驗中， 在最佳的環(huán)境下通過調(diào)節(jié)單運放 ua741放大電路， 在放大通道的正 弦信號輸入電壓幅度為 5-200mV，帶寬為 50-10000Hz。2.32.3 端口駐波比 放大器的輸入端口和輸出端口與系統(tǒng)特性阻抗的匹配程度由這兩個端口的電壓 駐波比公式如下：VSWR=1 T 1 T（2-4）微波低噪聲放大器通常情況下采用 50 歐姆作為特性阻抗。由（

10、 2-4）式可以知道，端口駐波比總是大于等于 1 的，當(dāng) T=0，也就是當(dāng)零反 射時， VSWR 最小為 1，此時端口的匹配是最好的。低噪聲放大器具有兩個重要指標(biāo)， 即噪聲系數(shù)和功率增益。 一個是在輸入端口按 照最佳噪聲來設(shè)計的， 另一個是在輸出端口功率的最大來設(shè)計的， 這兩者是會互相影 響的，其結(jié)果也必然會導(dǎo)致駐波比不會在最佳的共軛匹配點上， 或者噪聲匹配不會在 最佳點上，所以低噪聲放大器設(shè)計經(jīng)常是在噪聲系數(shù)與駐波比也就是說功率增益間的 權(quán)衡。2.42.4工作帶寬與增益平坦度 對于理想的微波低噪聲放大器我們希望在工作頻帶內(nèi)具有相等的增益以及較好 的輸入匹配和較小的噪聲系數(shù)。 我們在前面說過，

11、 共軛匹配只能在相對較窄的帶寬上 給出最大的增益， 然而對于最大的增益來說它的設(shè)計將提高增益的帶寬， 不過放大器 的輸入以及輸出匹配就會變得很差，這些問題主要是由于典型的微波晶體管和50 歐姆特性阻抗是不好匹配的，因此要想拓寬帶寬就必須以降低增益為代價來進(jìn)行。增益平坦度的定義是指在給定的帶寬范圍內(nèi)的增益的最大值減去最小值， 也就是 說這個范圍內(nèi)值的差，這以分貝來衡量。2.52.5動態(tài)范圍以及壓縮點 低噪聲放大器輸入信號要求的最小功率和最大功率的最大功率范圍就是寬帶低噪聲放大器的輸入信號動態(tài)范圍。這些定義也就是說當(dāng)某一個信號通過放大器的時 候，如果功率比較小的時候， 那么放大器的噪聲就會把它覆蓋

12、， 這樣將得不到輸出信 號；如果信號的功率過大的時候， 當(dāng)它大于放大器的線性指標(biāo)的時候， 放大器就不會 將繼續(xù)線性的放大信號，而是會有下降到飽和的趨勢，這個時候輸出信號就會失真。如果能夠看到壓縮點從理論上的并且比較理想狀態(tài)的輸出功率特性曲線上下降了 1dB 壓縮點，那么這個下降到 1dB 的功率電平所得到的結(jié)果就是 1dB 壓縮點，這 樣做的目的是為了定量規(guī)定一個放大器的動態(tài)范圍， 這個定義與所要講的三階截斷點 都是評判一個放大器非線性特性的重要的參考依據(jù)。2.62.6 三階截斷點 通?？梢杂?1dB 壓縮點和三階互調(diào)截點這兩個指標(biāo)來衡量放大器非線性特性。 當(dāng)兩個頻率相近的信號 f1 以及 f

13、2 同時一起輸入到放大器的時候，因為放大器的 非線性特性，將會產(chǎn)生許多組合的頻率分量，在這些分量當(dāng)中， 2f1-f2 和 2f2-f1 是其 中最接近基頻信號的， 從而會落到通頻帶內(nèi)以至于很難消除， 進(jìn)而會引起輸出信號的 失真。例如，當(dāng) f1=1KHz,f2=1.2KHz, 則經(jīng)過計算可得 2f1-f2=0.2KHz ，2f2-f1=0.4KHz 。 當(dāng)三階互調(diào)功率同和基波功率相等時的點就是三階截斷點。通常情況下三階截斷點 P3要比 1dB 壓縮點 P1大 12-15dB。2.72.7低噪聲放大器的穩(wěn)定性 在低噪聲放大器設(shè)計的重要特性當(dāng)中， 穩(wěn)定性是它的重要特性之一， 如果低噪聲 放大器電路的

14、性能不夠穩(wěn)定時就會產(chǎn)生振蕩。 通常情況下這不是一個在恒定的振幅和 恒定的頻率下的恒定的振蕩， 事實上是一個混亂的響應(yīng)， 而振蕩器的設(shè)計當(dāng)然也不是 簡單的設(shè)計一個不穩(wěn)定的放大器。 我們知道沒有一個簡單的度量可以來表示一個放大 器是不是穩(wěn)定的。 既然穩(wěn)定的條件是復(fù)雜的， 但是如果我們考慮在無論多少負(fù)載以及 輸出網(wǎng)絡(luò)匹配的情況下， 輸入端它都是穩(wěn)定的； 同理， 無論源以及輸入網(wǎng)絡(luò)的匹配情 況是多少的情況下，輸出端也都是穩(wěn)定的。自激振蕩對于我們了解放大器的穩(wěn)定性具有重要作用。 由于信號在通過反饋回路 以及運放的過程中產(chǎn)生附加相移從而產(chǎn)生自激振蕩。 這個附加相移包括高頻段產(chǎn)生的 也包括低頻段產(chǎn)生的，我們

15、分別用 1，2 表示。當(dāng)輸入某一個信號為頻率 fo， 在這里使 1 2在=n這里, n 為奇數(shù)，反饋量會使輸入量增大， 此時電路會產(chǎn)生正 反饋。對于電壓反饋型 ua741我們要人為地加入電阻電容，他們就會在 fo 處產(chǎn)生附加 相移 ，3如果 3 2（nn為奇數(shù)），那么自激振蕩就會消失。3 3 器件的選擇3.13.1 放大器的選擇在此我們選用高速運算放大器 a741作為前兩級放大電路， ca3140作為最后一級 放大電路。3.23.2 放大器的介紹高速運算放大器 a741是一款低噪聲作為增益放大器，電壓負(fù)反饋的運算，其 輸入噪聲為 2.5nv HZ ,其寬帶為 240MHz ，輸出電流能夠達(dá)到

16、110mA。對于 ca3140 放大電路，它是一款高速寬帶放大器，作為功率放大器，其輸入噪聲為 2nv HZ ， 其通頻帶從 0到 210MHz，并且可以提供電流的輸出。3.33.3 電源的供電 本設(shè)計采用單電源供電，用這種方式進(jìn)行輸入，不需要加入直流輸入的成份，此 供電電源的靜態(tài)工作電壓是在 0V ，因此電壓的動態(tài)范圍非常大，比較接近電源。本設(shè)計的總體設(shè)計圖如下：圖 1 系統(tǒng)設(shè)計框圖3.43.4 選用器件的介紹(1) a741是單運放放大器，也屬于雙電源供電電路，但也可以用于單電源供電， 那么此時將要求將集成運放組成的交流放大器設(shè)計成單電源供電方式。(2)ca3140 是高精度低失調(diào)電壓的精

17、密運放集成電路，用于微弱信號的放大，如 果使用雙電源，能達(dá)到最好的放大效果 ,但也可以用于單電源供電。(3)TPS61087具有強(qiáng)制 PWM 模式的 18.5V、3.2A 、652KHZ1.2MHZ 升壓的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。(4)L7805 是我們常用到的穩(wěn)壓芯片， 使用方便，用很簡單的電路即可輸入一個直 流穩(wěn)壓電源，它的輸出恰好是 5V 。4 4 模擬電路設(shè)計4.14.1 方案選擇方案一：為了能夠?qū)崿F(xiàn)至少為 40dB的增益調(diào)節(jié)，也可以使用 DA 高速乘法器型 來實現(xiàn)?？梢允褂棉D(zhuǎn)換器 DA 的數(shù)字量的輸入端控制傳輸衰減來實現(xiàn)增益的控制。 這個方案可以說是簡單易行并且精確度較高。 但是通過實

18、驗可以知道它轉(zhuǎn)化非線性誤 差比較大，并且寬帶只有幾千赫茲， 同時當(dāng)信號的頻率較高時， 系統(tǒng)較容易發(fā)生自激， 所以此方案不宜選擇。方案二：若采用分立元件，那么此方案就會使元器件成本降低，但是不宜實現(xiàn)， 并且周期很長，尤其是在時間較短的情況下手工制作就會很難保證結(jié)果的可靠性以及 達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo)，所以不能夠采用這個方案。方案三：本方案采用三級級聯(lián)的方式，并且對每一放大級都提供 15V 的單電源 供電。同時在每一放大級上都采用負(fù)反饋的方式進(jìn)行。 在本實驗中我們應(yīng)用 ua741作 為前兩級放大電路， 反饋電阻的選擇決定了前兩級都為 5 倍放大，最后一級我們采用 的核心元件為 ca3140，負(fù)反饋接滑動變

19、阻器，最終可使最后一級放大倍數(shù)為 4 倍放 大。在這個寬帶低噪聲放大器設(shè)計中要求的帶寬為 1MHz ，最終放大倍數(shù)為 100 倍， 電壓增益為 40dB。那么這基本上是能夠滿足題目的要求的，并且這個方案的方法簡 單易行，系統(tǒng)過程實行起來也較簡單 ,可采用。4.24.2 模擬電路設(shè)計通過進(jìn)一步的設(shè)計和理論分析， 圖 2 三級放大電路的通頻帶又通過在軟件上的仿真可以得到初步的結(jié)果。 所 得仿真結(jié)果如圖 1 所示4.34.3 電源電路本設(shè)計需要一個 15V的單電源。在這里介紹了 5V 和 15V電源電路設(shè)計如圖 2，4 所示：圖 3 所示為了 得到 10V 的電 壓峰峰值的輸 出， 在這里 我們使用

20、 DC-DC 變化器TPS61087DRC可以將+5V 的電壓轉(zhuǎn)換為 +15V ，通過這樣可以為末級放大電路提供電 壓。電路如圖 3 所示：圖 4 電源電路圖（ 15V）4.44.4 放大電路對于放大電路的設(shè)計這里采用 a741作為前兩級放大電路， op07 作為此放大電 路的最后一級放大電路。 在這個放大電路當(dāng)中對于末級放大電路可以通過兩個可調(diào)電 阻來控制放大倍數(shù)并且保證輸出信號不失真。放大電路如下圖圖 5 三級放大電路在一級放大電路中，我們的輸入信號為電壓峰峰值為 2.00mV 的正弦信號，對三 級放大電路采用 15V 的單電源供電，一級的輸出信號可以在示波器上顯示，通過調(diào) 節(jié)輸入信號的頻

21、率可以在示波器上顯示輸出信號在不失真情況下的下限頻率和上限 頻率，此范圍為 0-12KHz ，并且可以觀察到輸出電壓峰峰值為 1V ，可以看出一級放 大倍數(shù)為 50 倍，同理也調(diào)試出了二級三級的放大情況。二級放大電路情況同一級放 大情況一樣，在調(diào)試總的放大電路情況時，輸入信號頻率范圍是10-10MHz，并且調(diào)節(jié)輸入信號電壓的峰峰值，峰峰值調(diào)節(jié)范圍是 0-100mV。調(diào)試結(jié)果在下文。5 5 電路的調(diào)試5.15.1 調(diào)試過程（1）使三級放大電路每一級的正電源端都分別連接 +15V 電源，在三級放大器的 第一級的輸入端輸入信號， 也就是接上信號發(fā)生器， 此信號可以為正弦信號， 可通過 調(diào)節(jié)輸入信號的

22、電壓峰峰值以及頻率范圍來調(diào)節(jié)輸出信號的變化。（2）為了檢測輸入信號的上限頻率以及下限頻率， 可通過調(diào)節(jié)輸入信號的頻率看 輸出信號的最小頻率失真以及最大頻率失真， 這個最大和最小的范圍也就是它的截止 頻率范圍，從而以此來測試通頻帶是否是平穩(wěn)的。（3）通過上述過程， 可分別記錄不同情況下輸出信號的電壓峰峰值， 電壓有效值 以及頻率范圍。5.25.2 測試結(jié)果測試結(jié)果如表 1：輸入電壓輸出電壓頻率 f峰峰值峰峰值有效值3Hz20mv1.6v0.5v5Hz50mv4.5v1.6v10Hz40mv4.0v1.5v1KHz40mv4.1v1.6v1MHz50mv5.2v1.6v10MHz100mv10.2

23、v3.6v50MHz100mv8.8v3.2v表 1 40dB 時的輸入輸出測試通過表 1我們可以看出放大器的預(yù)寬帶為 10Hz-10MHz、最大的增益為 40dB 的情況下，通頻帶里是比較平坦的，在這個時候它最大的不失真的輸出電壓結(jié)果大約是 10.2v，經(jīng)過測試此結(jié)果比較符合題目的要求的。測試的波形如下：圖 5 10Hz 正弦信號放大圖圖 5 所顯示的結(jié)果表示為輸出信號的電壓峰峰值為6V ，輸出信號的頻率為10Hz。圖6 20HZ 正弦信號放大圖圖 6 所顯示的結(jié)果表示為輸出信號的電壓峰峰值為 10.8V ，輸出信號的頻率約為 20Hz。圖7 1KHz 正弦信號放大圖圖 7 所顯示的結(jié)果表示

24、為輸出信號的電壓峰峰值為11.6V ，輸出信號的頻率1KHz。圖8 1MHz正弦信號放大圖圖 8 所顯示的結(jié)果表示為輸出信號的電壓峰峰值為12V ，輸出信號的頻率為1MHz。圖9 10MHz正弦信號放大圖圖 9 所顯示的結(jié)果表示為輸出信號電壓的峰峰值為10V, 輸出信號的頻率為10MHz。通過上述圖形所顯示的調(diào)試結(jié)果可以看出這個寬帶低噪聲放大器的一些指標(biāo)是 滿足要求的，由圖可以看出， 由于輸入信號的電壓峰峰值的變化以及輸入信號頻率的 變化，輸出信號的峰峰值以及輸出信號的頻率也發(fā)生了變化。5.35.3 系統(tǒng)的改進(jìn)措施雖然此設(shè)計達(dá)到了題目的基本要求，但還是存在一些問題需要改進(jìn)。存在的問題和改進(jìn)措施

25、為： 在每一個模塊都能夠正常工作的情況下， 但是在整個級聯(lián)調(diào)試的時候10 還是會出現(xiàn)某些雜波的的干擾的， 所以我們需要對這種情況進(jìn)行一些改進(jìn)措施， 這個 改進(jìn)措施就是系統(tǒng)的地線不能夠出現(xiàn)環(huán)路， 所以我們要使地線最好一點接地。 在此實 驗當(dāng)中我們進(jìn)行了制板， 所以在實現(xiàn)當(dāng)中我們要保證板子的準(zhǔn)確性， 在連線時要減少 交叉保證電路的簡單準(zhǔn)確性。6 6 總結(jié)本設(shè)計采用三級級聯(lián)的方式來進(jìn)行， 但在設(shè)計的開始階段本打算使用負(fù)反饋的形 式建立一個一級的放大形式， 但事實上發(fā)現(xiàn)并不能達(dá)到預(yù)想的結(jié)果， 所以在本設(shè)計中 決定采用三級級聯(lián)方式， 其中所用核心元器件有 a741為一級和二級放大電路， 采用 ca314

26、0 為末級放大電路，測量過程中先分別測出每級的放大倍數(shù)，然后再測出總的 放大倍數(shù)。在此設(shè)計當(dāng)中我們一級和二級放大電路提供 15V 電源，對末級放大電路 也采用 15V 供電電路。在本實驗當(dāng)中為了達(dá)到更好的效果，制作了PCB 版以便電路的順利連接以及測試。 本設(shè)計當(dāng)中進(jìn)過反復(fù)的調(diào)試以及測試達(dá)到了預(yù)測的結(jié)果即這個 系統(tǒng)最終實現(xiàn)了電壓增益為 40dB，通頻帶為 1MHz,以及在有負(fù)載的情況下輸出電壓 峰峰值為 10V 等指標(biāo)。本設(shè)計所需成本較低， 簡單易行能夠達(dá)到預(yù)想的結(jié)果。 通過本設(shè)計我學(xué)到了很多 知識，包括軟件的使用，電路板的制作與使用，還有電路的連接，以及電路的調(diào)試， 這期間鍛煉了自己的動手能力和分析能力，可以將理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)了我的興趣， 對以后的發(fā)展有了更多的幫助。參考文獻(xiàn)1 李曉東，宋耀良，商堅剛 .寬帶線性功率放大器研制 D. 南京：南京理工大學(xué)， 20122 曹文才 ,石玉,何澤濤 .超寬帶高線性低噪聲放大器的研制 J.磁性材料及器件， 2011,42（3）：65-693 黃智偉 .射頻小信號放大器電路設(shè)計 M. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2008:11-234 廖承恩 .微波技術(shù)基礎(chǔ) D. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 20065 李緝熙 .射頻小信號放大器電路設(shè)計 D. 北京：電子工業(yè)出版社， 2011,3-56,201-3396 張漢