宽带放大器
宽带放大器原理
宽带放大器原理
宽带放大器是一种能够放大信号频率范围广泛的放大器。
其原理基于电子器件的非线性特性和反馈控制理论。
在宽带放大器中，通常会使用一对非线性元件，例如晶体管或场效应管。
这些元件在输入信号作用下会产生非线性失真的效应，使得输入信号中的不同频率成分被放大的程度不同。
为了实现宽带放大，需要对这些非线性元件进行合理的偏置和调整。
在实际应用中，宽带放大器还会使用反馈控制电路。
该电路可以将部分输出信号反馈回输入端，通过控制反馈信号的幅度和相位来减小放大器的非线性失真，提高放大器的线性度和稳定性。
总的来说，宽带放大器的原理是通过利用非线性元件的特性实现对不同频率信号的放大，并通过反馈控制来优化放大器的性能。
它在通信、射频电子设备等领域中广泛应用。
宽带直流放大器设计
Ｏ 引 言
随着通信技术和微电子技术的发展 ， 宽带放大器在科研应用中起着越来越重要 的作用【 宽带放大器 ” 。 是音响、 有线电视、 无线通信等系统 中必不可少的部分 ， 宽带通信技术 的不断发展对宽带放大器 的要求也 越来越高。 宽带放大器 以低噪声 、 低非线性失真以及 良好的匹配性等特点 ， 成为现代无线接入技术和远程
通信系统中的一类极为重要的放大器圆 。 传统宽带放大器的设计主要采用分立元件 ， 应用场效应管或三极管 ， 采用多级放大电路实现。 由于大 量采用分立元件 ， 电路 比较复杂 ， 工作点难 以调整 ， 增益控制和高带宽均难以实现 ， 尤其增益的定量调节 非常困难。 不可控因素较多造成了调试难度增大。 此外 ， 由于采用多级放大 ， 电路稳定性差 ， 容易产生 自激 现象。 本文采用集成芯片 ＩＡ １ 、 Ｄ ０ 进行可控增益放大 ， Ｎ ２７ Ａ ６３ 设计了一款低噪声宽带直流放大器 。 该方案 电路集成度高 ， 稳定性好 ， 工作点容易调整， 控制方便 。
第 １ 年 ‘ 月 ６卷第３ ３期 ２ １ ００
江 苏 技 术 师 范 学 院 学 报
Ｊ Ｒ Ａ Ｆ ＪＡ Ｇ Ｕ Ｔ Ａ ＨＥ Ｓ Ｕ Ｉ Ｅ Ｉ Ｙ Ｏ Ｅ Ｈ Ｏ Ｏ Ｙ ０Ｕ Ｎ Ｌ Ｏ Ｎ Ｓ Ｅ Ｃ Ｒ Ｎ Ｖ Ｒ Ｔ Ｆ Ｔ Ｃ Ｎ Ｌ Ｇ Ｉ Ｓ
Ｖｏ ＿６． ． ｌ１ Ｎｏ３
过 Ａ ６ ３ Ａ １ 放大 后接 到负 载 。 Ｄ ０ 和 Ｄ８ １ １１ 压 ／ 转 换 电路 ． 频
为 了能够 自动地连续测量 ０ １ Ｈ 的信号 ， 系统将信号分为高 、 ０ ｚ Ｍ 本 低频两部分 ， 通过压频转换器
收稿 日期 ： ０ ９ １— ２ 修 回日期 ： ０ ９ １ — ９ ２０—２ ０ ； ２０—２２ 基金项 目： 江苏省高等学校大学生实践创新训练计划 项 目； 江苏技术师范学 院青年科研基金资助项 Ｈ（Ｙ ０ ０３ Ｋ Ｙ ７３）
宽带直流放大器80577
宽带直流放大器（C题）摘要：本系统采用宽带压控增益放大器VCA822来实现可调增益，后级功率放大采用多片高速运放并联以获取较大驱动电流，系统通过输出偏置电压的测量，实现零点漂移的自动归零。
放大器增益能以0.1dB为步进，在0～60dB范围内调节，3dB通频带5MHz、10MHz可调，带内增益起伏不超过1dB，噪声峰峰值不超过200mV，输出功率可达2W。
系统可将增益进一步提高到80dB，输出波形失真度不超过3.1%。
另外，为进一步扩大输入信号的动态范围，还制作了π型电阻网络构成的阶跃衰减器，可将输入信号最大值提高到20V以上。
关键词：压控增益放大器、自归零、π型电阻网络衰减器一系统方案1. 方案比较与选择1.1 增益控制部分方案一：采用多级高速放大器级联，通过调节放大器的反馈电阻实现增益控制。
该方案电路简洁，控制方便。
该方案的缺点在于通过切换反馈电阻的方式不易实现增益的连续调节；运放反馈回路较大，容易引入噪声，降低电路性能。
方案二：采用宽带压控增益放大器VCA822，利用DAC产生控制电压改变放大器的增益。
控制电压和放大器增益成线性，方便实现精确的增益控制。
VCA822的最小增益步进仅取决于DAC的位数，可以实现增益微调，为闭环改善放大器的性能提供方便。
综合以上分析，选择方案二。
1.2 带宽调节部分方案一：采用数字方法对放大器输出信号测频，根据预设的带宽，在适当的频点调节放大器的放大倍数至合适值，从而实现带宽调节。
该方案能灵活的调节系统带宽，但由于测频需要较长时间，系统会被引入较大的时延。
方案二：采用干簧管继电器切换无源滤波器的方式实现带宽调节。
干簧管继电器输入电容典型值小于1pF，对滤波器性能的影响很小；相对于有源滤波器，无源滤波器在高速、高阶滤波方面表现出较好的性能。
综合以上分析，选择方案二。
1.3 功率输出部分方案一：采用高输出电压运放作为功率输出部分的第一级，对信号进行电压放大；第二级采用推挽射级跟随器进行电流放大。
宽带功率放大器预失真技术综述
宽带功率放大器预失真技术综述摘要：随着无线需求和无线业务的不断增加，传输信号必将不断向高质量高速率宽带宽发展。
在宽带应用中，由于传输信号带宽增加，宽带功率放大器不同于窄带输入下的无记忆特性，将表现出频率有关的记忆非线性特性。
本文重点阐述了功率放大器的线性化技术，数字预失真的基本原理及学习结构，功率放大器的基本模型及模型的评估指标。
关键词：功率放大器,线性化,数字预失真,模型0引言随着无线通信技术的日益发展和普遍使用，为高速多媒体业务需求而开发的移动通信3G技术在通讯容量与质量等方面将不能满足人们日趋增长的需求，而且移动4G系统也日益商用化，其系统不只是单一地为了适应宽带和用户数的增长，更为重要的是它适应多媒体的传输需求，将多媒体等洪量信息通过信道高速传输出去，而且对通讯服务质量提出了更高的要求。
近年来，随着全球对环保要求的提高，人们关注的不仅仅是频谱效率的提高问题，还关注到功率效率、能量效率的提高问题。
绿色通信的概念正是在这样的背景下提出的，大量提高功效和能效的技术也涌现出来。
绿色通信技术主要采用创新性的分布式技术、高功率放大器、多载波等技术以减小能量消耗。
作为无线通信系统中不可或缺的重要部件之一，关于功率放大器的线性化研究及其实现，对推动绿色通信概念及理论的深入发展、对节能减排的意义重大，是一项具有理论意义和实际应用价值的课题。
功率放大器是通信系统中的一个关键部件，功放的非线性特性引起的频谱扩张会对邻道信号产生干扰，并且带内失真也会增加误码率。
随着新业务的发展，现代无线通信系统中广泛采用了正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation, QAM）、正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）技术等高频谱利用率的调制方式。
这些调制方式对发射机中射频功放的线性度提出了很高的要求。
因此为了保障通信系统的功率效率和性能，必须有效的补偿放大器的非线性失真，使放大器能够高效的线性工作。
宽带放大器设计与仿真
1.比例放大器
R2
R1
vi
-
A +
vo
Avf=vo/vi= -R2/R1
特点： 运算放大器输入端无共模信号
运算电路输入电阻较小
宽带放大器设计与仿真
2.同相放大器
vi
+
A
-
R2 R1
vo
Avf
vo vi
1 R2 R1
特点： 运算放大器输入端有共模信号 运算电路输入电阻很大
宽带放大器设计与仿真
3.加法电路
v1
R1
Rf
v2
R2
-
A +
vo
vo
（v1 R1
Rv22）Rf
宽带放大器设计与仿真
加法电路的应用——D/A转换器双极性输出
+5V
D0 VREF
输
D1
Rfb
D2
入 数 字
D3 IOUT1 D4 IOUT2
量
D5 D6
AGND DGND
D7
v2 R1
2kΩ
+ A1
R2
v1 1kΩ
Rf 2kΩ
V+
vo
压力传感器
R1 RT
V+ R2
vo
W
温度传感器
宽带放大器设计与仿真
V+
应变片1
R1 vo
应变片2
R2
典型的几种差分输出的传感器就是电阻电桥、 RTD 测温电阻和电流并联检测器。
宽带放大器设计与仿真
共模信号为放大器的同相和反相输入端含有的相同信 号，这里的共模信号（Common Mode Voltage）VCM＝ 5V；
（2）基本差分放大电路的原理
宽带高频功率放大器要点
5.4宽带高频功率放大器以LC谐振回路为输出电路的功率放大器，因其相对通频带只有百分之几甚至千分之几，因此又称为窄带高频功率放大器。
这种放大器比较适用于固定频率或频率变换范围较小的高频设备，如专用的通讯机、微波激励源等。
除Y LC谐振回路以外，常用于高频功放电路负载还有普通变压器和传输线变压器两类。
这种以非谐振网络构成的放大器能够在很宽的波段内工作且不需调谐，称之为宽带高频功率放大器。
以高频变压器作为负载的功率放大器最高工作频率可达几百千赫至十几兆赫，但当工作频率更高时，由于线圈漏感和匝间分布电容的作用，其输出功率将急剧下将，这不符合高频电路的要求，因此很少使用。
以传输线变压器作为负载的功率放大器，上限频率可以达到几百兆赫乃至上千兆赫，它特别适合要求频率相对变化范围较大和要求迅速更换频率的发射机，而且改变工作频率时不需要对功放电路重新调谐。
本节重点分析传输线变压器的工作原理，并介绍其主要应用。
5.4.1传输线变压器1.传输线变压器的结构及工作原理传输线变压器是将传输线(双绞线、带状线、或同轴线)绕在高导磁率铁氧体的磁环上构成的。
如图5-24(a)所示为1:1传输线变压器的结构示意图。
传输线变压器是基于传输线原理和变压器原理二者相结合而产生的一种耦合元件，它是以传输线方式和变压器方式同时进行能量传输。
对于输入信号的高频频率分量是以传输线方式为主进行能量传输的；对于输入信号的低频频率分量是以变压器方式为主，频率愈低，变压器方式愈突出。
如图5-24 (b)为传输线方式的工作原理图，图中，信号电压从1、3端输入，经传输线变压器的传输，在2、4端将能量传到负载RL上。
如果信号的波长与传输线的长度相比拟，两根导线固有的分布电感和相互间的分布电容就构成了传输线的分布参数等效电路，如图5-24 (d)所示。
若认为分布参数为理想参数，信号源的功率全部被负载所吸收，而且信号的上限频率将不受漏感、分布电容及高导磁率磁芯的限制，可以达到很高。
论文 宽带放大器
宽带放大器摘要本设计全部采用集成电路，具有硬件电路形式简单，调试容易，频带宽，增益高，AGC动态范围宽的特点，且增益可调，步进间隔小。
本宽带放大器以可编程增益放大器AD603为核心，由三级放大器组成，前级放大主要是提高输入阻抗，对小信号进行放大；中间级为可变增益放大器，主要作用是实现增益可调及AGC功能，增益控制和AGC功能都由单片机控制，可预置并显示增益值，增益可调范围10dB～58dB，步进1dB，由单片机自动调节放大倍数可实现AGC功能，使输出电压稳定在4.5V~5.5V 之间；后级放大进一步增加放大倍数，扩大输出电流，提升放大器的带负载能力，提高输出电压幅度。
后级输出接峰值检波电路，检波电路输出由单片机采样并计算后，用液晶显示屏显示输出正弦波电压的有效值和峰峰值。
由于宽带放大器普遍存在容易自激及输出噪声过大的缺点，本系统采用多种形式的屏蔽措施减少干扰，抑制噪声，以改善系统性能。
一、方案论证与比较1、总体方案方案一：选用结电容小，f T高的晶体管，采用多种补偿法，多级放大加深度负反馈，以及组合各种组态的放大电路形式，可以组成优质的宽带放大器，而且成本较低。
但若要全部采用晶体管实现题目要求，有一定困难，首先高频晶体管配对困难，不易购买；其次，理论计算往往与实际电路有一定差距，工作点不容易调整；而且，晶体管参数易受环境影响，影响系统总体性能。
另外，晶体管电路增益调节较为复杂，不易实现题目要求的增益可调。
方案二：使用专用的集成宽带放大器。
如TITHS6022、NE592等集成电路。
通过外接少数的元件就可以满足本题目要求，甚至远超过题目要求的带宽和增益的指标，但这种放大器难以购买，价格较贵，灵活性不够，不易满足题目扩展功能要求。
方案三：市面上有多种型号、各具特色的宽频带集成运算放大器。
这些集成运算放大器有的通频带宽，有足够的增益，有的可以输出较高电压，使用方便，有的甚至可以实现增益可调及AGC的功能。
宽带直流放大器设计方案
图 3-1
2.通频带选择电路
通过单片机一个 IO 口控制继电器，切换 5M 和 10M 通频带，电路如图 3-2 所示。
图 3-2
3．椭圆滤波器
我们使用 Filter Solutions 分别设计了-3dB 截止频率为 5MHz 和 10MHz 的九阶 无源椭圆滤波器。 并通过仿真软件对电容电感值做调整。 图 3-2 分别为 5MHz 和 10MHz 的椭圆滤波器电路及其幅频特性曲线图。
2.中间增益放大级方案论证
方案一：采用三极管构成多级放大电路
若用分立元件构成 60dB 放大器，则须采用三极管构成的多级放大器。此方案 有选材方便和成本较低的优点，但是选择性能合适的三级管比较费时间，选择合适 的三极管配对组合更是不容易，并且题目给出的指标较高，三级管构成的多级放大 器容易引起更多的干扰，影响放大质量。此外，晶体管构成的多级放大电路不易实 现大范围的增益连续可调，这是相比于集成运算放大器的又一大缺点。所以，我们 对下一种方案进行论证。 方案二：使用集成运放 OPA620 构成 2 级放大 单个 OPA620 的增益可调范围为 -20bB — +20dB ，采用两级相连，则可以实 现-40dB-+40dB 的可调范围。从厂商的数据手册可以看出，OPA620 外围电路简单， 容易操控，通频带内增益起伏小于 0.05dB，且放大效果较好。但是若要求实现提高 部分 0-60dB 全范围的连续可调，两级 OPA620 放大则不能达到题目要求。 方案三：使用低噪声增益可控放大器 AD603 使用两级 AD603 构成的增益可调放大电路。 AD603 是主要用于 RF 和 IF AGC 系统的低噪声可调增益放大器， 它具有引脚可 编程增益功能，可以使用一个外部电阻设置增益范围内的任何增益子范围，控制接 口可以输入差分电压，也可以输入单端的正控制或负控制电压，使用十分方便。单 级 AD603 便可以实现 0-40dB 的电压放大， 且该增益范围内有 30MHz 的频带宽， 性 能优异，如果采用两级连放，理论上可以实现 0-80dB 的增益可调范围，能满足题目 要求。其次，AD603 构成的增益可控放大电路有很大的提升空间，可以通过电位器 获取基准电压进行手动控制，通过模拟开关连接电阻器实现增益程控，通过单片机 配合 DAC 模块实现不同精度的增益数控。 所以比较上述两种方案，AD603 与 OPA620 相比，容易实现增益数控，AD603 有更高的性价比，我们最终选择方案三。
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宽带放大器设计报告
摘要：本系统由四大模块组成，分别为放大模块、电源模块、峰值检波和测量显示模块组成。
放大模块采用三级放大，在前级放大电路中，采用指定的高速运算放大器OPA820ID作为第一级放大电路，输出经第二级放大器OPA690放大后，后级放大采用指定的低失真电流反馈放大器THS3091D放大达到最大峰峰值大于10V的输出。
电源模块采用DC-DC转换芯片TPS61089得到正负12V电源（利用外部充电泵原理）和MC34063得到的正负5V电源，34063得到的正负5V给前两级放大电路供电，TPS61089DRCT得到的正负12V经稳压得到正负9V给后级放大器THS3091D供电。
峰值检波采用数字检波电路。
测量模块采用TI公司低功耗单片机MSP430F149，利用单片机内部AD对检波后输出采样，经单片机处理后送至LCD显示。
关键词：宽带放大器，DC-DC转换,充电泵，峰值检波
一．方案论证与比较
1.1 放大器方案选择
前级放大器和后级放大器分别为指定的TI公司的OPA820ID和THS3091D，但仅由这两级放大不能满足题目要求。
因此，需加入中间级放大电路。
方案论证如下：
方案一：采用LM358放大器组成的放大电路。
LM358是一般的运算放大器，对电源的要求较高，功耗较大。
它的放大精度不是很高，受环境因素影响变化大，而且对输入的小信号放大，纹波和噪声都比较大。
另外，LM358的增益带宽积较小，不能满足要求。
方案二：采用OPA690放大器组成的放大电路。
OPA690是TI公司的的一款高性能电压反馈运算放大器。
它具有较高的放大精度和较大的带宽，受环境影响较小,符合题目要求。
综上所述：我们选择方案二。
1.2 电源方案选择
题目中提供给我们的电源只有 +5V, 但为了更好的达到题目的要求，我们采用双电源供电,所以，应该将提供的电源做DC-DC变换。
前两级采用MC34063变换得到正负5V电源供电。
THS3091电源选择方案如下：
方案一：使用TPS61087DRCT和变压器。
5V电压经DC-DC升压变换后，输出电压经变压器变压后产生正负电源。
该方案对变压器的要求较高，需要准确计算出线圈匝数比，比较复杂，且输出电压不是很稳定，故此方案不予采纳。
方案二：使用TPS61087DRCT外部充电泵生成辅助电压。
使用外部充电泵是从升压转换器生成辅助电压轨的一种灵活易用的方法。
这些电压轨理论上可以是任何电压，正负均可，并且可以为需要两个或更多电压的任何应用供电。
该方案设计电路简单，容易实现，可以满足设计要求。
综上所述：我们选择方案二。
二．电路设计与参数计算
2.1 电路整体设计框图
2.2 模块电路设计及参数计算 2.2.1放大电路设计
题目要求放大增益>=40db ，即增益Gain>=100。
放大器的通频带是0~10MHz ，所以本放大器的增益带宽积为：GBP=100*10M=1G 。
前级放大器OPA820ID 和末及放大器THS3091D 均有较高带宽,中间级放大器OPA690带宽为220M ，足以满足要求。
我们设计电路的各级放大倍数为：前级放大2倍，第二级放大12.5倍，末级放大5倍；该放大器的放大倍数G=2*12.5*5=125,增益带宽积为1.25G ，满足要求。
放大模块电路图如下：
前级放大电路
中间级放大电
末级放大电路
MC34063产生正负5V 电源
TPS61087产生正负12V
电源经稳压得到正负9V 电源
5V 电源
MSP430
峰值检波
LCD 显示
滤波电路
滤波电路
图1 三级运算放大电路
2.2.2 电源电路设计
题目中提供的一个+5V的单电源，但我们的运放全部采用双电源供电，因此需做DC-DC变换。
利用TI公司DC-DC转换芯片TPS61087DRCT,将+5V的电源升至12V，再使用TPS61087DRCT外部负充电泵将+12V的电压生成-12V的辅助电压，正负12V为减少开关电
源纹波分别利用7809和7909稳压后得到正负9V给THS3091提供电源。
电路图如下：
图2TPS61087DRCT产生正负9V电源，给末级运放THS3091供电
计算电路元件参数：要求输入电压V IN=5V, 输出电压V out=15V，Iout_max=500mA
查手册可知 R16= Vref / 70uA =18K; R12=R16*( Vout/Vref -1）=200K 通过改变R16的大小可以改变输出电压。
由于利用TPS61087升压、稳压后得到正负9V 电源的电流不是很大，无法给三级运放
同时供电，并且正负9V电压高于前两块芯片的工作电压，故不能给其供电。
因此，还需
另外制作电源给前两块芯片供电。
在此，我们采用MC34063电压反转电路，将提供的正
5V电源转换为负5V,利用正负5V电源给OPA820ID和OPA690供电。
电路图如下：
图3 MC34063将正5V转换成负5V,,利用正负5V电源给OPA820ID和OPA690供电
2.2.3 峰值检波和测量显示电路设计
电路图如下：
放大器输出信号送到上图检波电路，然后通过单片机内部AD 对检波输出输出采样，采样回的数据经单片机处理后送到LCD 进行显示。
2.24降低放大器输出噪声电路设计
该系统放大器的电源全部由开关电源提供，电源开关噪声比较大，另外由于外界电磁等干扰使得输出噪声大。
为了降低输出噪声，我们采用电源去耦、利用EMI 去电磁干扰、设计滤波器滤波等一系列措施，取得了比较好的效果。
2.3软件设计
N Y
三、测试数据与结果分析
四、3.1 测试仪器
测试使用的仪器设备如表所示
序
号 仪器名称型号、规格 主要技术指标 数量 1 模拟示波器UT2062C 50MHz
1 2 函数发生器CA1642 2M Hz 1 3 数字万用表 4位
1
3.2 测试数据表
单位mV
1 2 3 4 5 6 输入电压 输出电压峰峰值
输出电压有效值
开始
单片机内部AD 采样
32次?
数据转换处理 LCD 显示
3.3 输出噪声测试
把输出电压接到模拟示波器输入端，从输出波形大致可以看出输出噪声纹波电压峰-峰值较小,满足题目基本要求。
3.4 误差分析
（1）电源噪声影响。
由于本系统中电源全部采用开关电源供电，所以电源的噪声比较大。
虽然我们采取了很多方法来消除噪声，但仍无法完全消除。
（2）测量仪器精度有限以及测量过程中外界的干扰，另外整个电路板由手工焊接完成无法避免线路之间的电磁干扰，从而导致一定的误差。
（3)由于运算放大器的零点漂移，温度漂移等带来的误差。
（4）A/D，D/A转换误差,受AD转换器精度及基准源稳定程度的限制，不可避免地带来一定的误差。
（5）纹波对输出的影响。
采用屏蔽的方法、远离容易产生势骚动或脉冲工作方式的器件、减少IC供电电源的纹波等可减少由IC外部干扰产生的纹波。
五、结论
本设计制作完成了题目要求的基本部分的全部要求和发挥部分的要求，而且部分功能大大高于发挥部分的要求。
但由于时间紧，工作量大，系统还存在许多可以改进的地方，比如电路布局、和抗干扰方面和电源噪声消除等方面还有很大的提升空间，如果改进，相信性能还会有进一步的提升。
本次竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力，我们遇到了很多困难和障碍，在处理问题的过程中，我们也在不断的进步。
参考文献
[1]高吉祥主编，唐朝京主审《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程》电子工业出版社。
[2] 童诗白、华成英主编。
《模拟电子技术基础》。
高等教育出版社。
[3] 陶显芳编著。
《开关电源原理及设计》。
福建科学技术出版社。
[4]沙占友主编《开关稳压器应用技巧》。
中国电力出版社。
附件
带宽放大电路。