翻译1 超宽带低噪音放大器——中文部分

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超宽带低噪声放大器

Ultra-Wideband Low-Noise Amplifier

摘要

超宽带(超宽频)低噪声放大器是数字电视及宽频信号处理器的一个最基本组成部分,但是由于考虑到带宽、噪音和增益控制等综合性能，一般设计很难实现。一种低噪音,超宽频和高性能直流放大器设计如图1。该设计涉及AD797构成的精密前置放大电路，VCA810构成的数字电位器控制步进增益电路、、eight-order贝低通滤波器和LC网络以及零点漂移数字校正补偿算法。试验结果(标签1 - 3和图6)表明,放大器的增益可从0到80dB步进可调,直流到10MHz 的通频带波动小于0.87dB,阻带衰减达到-42dB/ 2 fc、等效的输入噪声电压小于7.2μVrms。本设计成功地解决一些宽带放大器中的高挑战性矛盾,如超宽带和噪音小,阻带衰减和通频带波动、精确控制增益和更正零点漂移。

关键字：放大器、超宽带、增益可控、零点漂移校正

一、介绍

超宽带(宽频)低噪声放大器被广泛用于中频和视频放大器中。这种电路不仅应用在放大视频信号，以及带宽范围从几兆赫甚至到几万兆赫的脉冲信号与射频信号，而且广泛应用于信号处理方面。近年来，在秘密通讯和目标检测方面超宽带迅速发展，超宽频信号需要更高的带宽要求，因此前端的预处理接收电路必须是一个低噪声的超宽频放大器。

超宽频放大器的性能直接影响信号检测的精度和处理。所以，低噪音的设计，零点漂移的校正和超宽带成为具有重要的工程意义和应用价值的关键点。在其它文献,典型的超宽频放大器增益为12-20dB，也有性能和可行性的矛盾。例如，文献[13][14]提出了放大器超宽带和低噪音问题的解决,但它无法避免零点漂移。

本文设计并实现了一种低噪声宽带放大器、高性能过滤网络,数字化的程控零点漂移校正电路、单片机控制系统和高精度的电力供应。解决了若干如超宽带和低噪音、阻带衰减和通频带波动、精确控制增益和更正零点漂移等问题。我们

的设计将成功的将可靠的性能和精确的参数结合在一起，具有良好的推广价值。

二、低噪音和超宽带的解决

低噪声宽带直流放大器的系统框图如图1。放大器系统包含五个部份:初级放大、滤波网络,零点漂移校正电路、控制系统和高性能电源。该放大器主要由低噪声的精密放大器、增益控制、最后通过推拉输出的放大和功率驱动电路。低噪声精确前置放大器采用超低噪声的集成运算芯片,从而实现整个低噪声系统。电压增益调节采用单片机。为了增加系统增益，中间放大器由低噪音、高速集成放大芯片组成。最后级动力驱动电路由拉推输出的双重运算放大器构成的，增加了系统带负载能力。高性能过滤器采用无源滤波器的建议去实现0 ~ 5兆赫和0 ~ 10兆赫双通道，并带有可调波段的eight-order Bessel滤波器。对于失调电压的修正有两个建议:模拟修改和数字修改。在这里我们采用数字方式去校正提高精度。该控制系统以AT89C52单片机为中心，实现数控增益和失调电压的调节。电源采用了混合调节器,为了给整个系统提供精确的低噪声直流电源，电源通过耦合滤波、精确的二次调节器。

三、电路的设计和参数的计算

A 输出低噪声和超宽带是宽带放大器设计的关键，利用Friis公式可以得出不同增益下的噪声系数，公式如下：

图1低噪声超宽带直流放大器系统框图

NF1、NF2…NFn是每个放大器的噪声系数，Kpa1、Kpa2…Kpa(n-1)是每个放大器的增益，从Friis公式我们可以看到对梯级放大器最大的影响是第一阶段放大器,所以我们在低噪声放大器的设计中,我们应该试着去找到增益和噪声的平衡点。

考虑阻抗匹配因素，本设计选择超低噪声集成运算放大器AD797构成前置放大器。外部设备由高性能的金属薄膜电阻、各阶段放大采用低噪声的芯片。LC 低通滤波器设计为0 ~ 5MHz和0 ~ 10MHz。为了降低输出电压，在设计前置放大电路时，PCB布局中将模拟和数字的接地端相分离。由AD797组成的低噪声前置放大器如图2：

图2 低噪声前置放大器电路图

B．增益步进可调的设计

放大器的增益通过外部控制信号来调节。在该系统中,主程序增益控制利用外部键盘设定电压增益来很好的实现、增益控制放大器选用VCA810。

采用单片机控制,数字电位器X9C103调节输出电压范围0 ~ 2 V,这被应用到到VCA810增益控制电路。通过这种方式,我们可以使系统的增益从0 ~ 80分贝按1dB步进可调。增益控制的电路原理图如下图3：

图3增益电路原理图

C、校正零点漂移

直流放大器的零点漂移现象是不规则的,慢慢地且逐渐改变。增益更大、放大系数更大,零点漂移现象更严重,在零点漂移达到饱和时放大器甚至会不能工作，失去功能。所以必须设计一个直流零点漂移校正电路以保证直流放大器工作的稳定性。我们将最后阶段的零点漂移量通过A / D采样器被送到单片机,那么我们就能利用单片机来选择适当的参考电压，控制数字电位器X9C102自动实现调零。零点漂移校正电路如图4。

图4 零点漂移校正电路图

D高性能滤波网络

该过滤器主要用于降低噪声、减少波形干扰，提高系统的稳定性。在这个设计中,两个低通滤波器的通频带为0~5MH和0 ~10MHz，而且通频带的波动小于1dB，并且阻带衰减40dB/2fC,所以要用精确的电容和电感是用来LC低通滤波器。为了实现线性相位,我们采用了贝塞尔滤波器。对于复杂的计算和LC滤波器的参数设定,我们可以使用软件名叫Filtering Solutions来靠计算机辅助设计。高性能铝箔网络如图5：

图5 高性能滤波电路

四、系统性能测试

A．系统自身噪声测试

将输入端短接接地，系统用±15供电。放大器增益分别调整到40dB、60dB、80dB，用示波器来观察输出的噪声电压波形，并用Agilent 34401去测量噪声电压有效值,测量结果如下表1所示：

表1 系统噪声电压的测试

B．零点漂移的校正测试

保持输入端短路时,使用单片机去控制的数字电位器,每次以20dB为步进调整补偿电压, 更好的调抑制放大器不同增益下的零点漂移现象。在不同的情况下，用Agilent34401测量校正电压有效值。测量结果如下表2所示：

表2 零点漂移的校正测试

C.系统增益的校准测试

将工作频段设置在0 ~ 10MHZ，输入信号频率fi = 2MHz。分别在增益0dB、20dB、40dB、60dB、80dB调节适当的输入信号幅度Vi,使用双踪到示波器观察输入和输出, 记录输出信号幅值、将实际放大器增益和设定放大器增益进行比较,结果如下表3所示：

表3 系统增益测试

D．系统幅频特性的测试

调整输入信号的幅值Vi 100 mVpp,频率0~20MHz，增益AV 40dB,

然后用示波器观察不同频率下的输出信号VPP，并记录，并且用MATLAB画出幅频特性曲线图。如下图6所示：

五、结论

在本文中，我们对超宽带低噪声直流放大器的主要技术进行了研究阐述，介绍了基于超宽带低噪声前置放大器、LC滤波器网络、数控增益步进可调和零点漂移校正电路的高性能放大器。采用D / A转换器控制VCA810宽带放大器,动态增益0~80dB可调，用电感、电容组成的贝塞尔滤波器达到了线性相位低噪声0 ~ 10MHz的宽带滤波。并且与AD797构成的低噪声前置放大器相匹配，保证了等效的输入噪声小于7.2 Vrms。单片机是用来控制数字电位器X9C102输出补偿电压实现直流零点漂移的调整。试验结果表明,本文设计的放大器具有低噪声、偏置电压小、性价比高,优良的稳定性和可靠性的特点。

致谢

对于Tiande Gao 和 Linwei Tao在实验中的帮忙，Zengxiang Fu 和 Hai Huang 在此文上的建议，本人十分感谢！

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