宽带放大器设计与仿真
集成运放同相放大器的带宽测量(设计与仿真)实验报告
集成运放同相放大器的带宽测量（设计与仿真）实验报告一、实验目的1、熟悉放大器幅频特性的测量方法。
2、掌握集成运算放大器的带宽与电压放大倍数的关系。
3、了解掌握Proteus 软件的基本操作与应用。
二、实验线路及原理1、实验原理 （1）同相放大器同相放大器又称同相比例运算放大器，其基本形式如图所示。
输入信号U i 经R 2加至集成运放的同相端。
R f 为反馈电阻，输出电压经R f 及R 1组成的分压电路，取R 1上的分压作为反馈信号加至运放的反相输入端，形成了深度的电压串联负反馈。
R 2为平衡电阻，其值为R 2=R 1//R f 。
电压放大倍数为RR UU Afiuf101+==。
输出电压与输入电压相位相同，大小成比例关系。
比例系数（即电压放大倍数）等于1+R f /R 1,与运放本身的参数无关。
图 同相放大器 图 某放大电路的幅频特性（2）基本概念 1）带宽运放的带宽是表示运放能够处理交流小信号的能力。
运放的带宽简单来说就是用来衡量一个放大器能处理的信号的频率范围，带宽越高，能处理的信号频率越高，高频特性就越好，否则信号就容易失真。
图所示为某放大电路的幅频响应，中间一段是平坦的，即增益保持不变，称为中频区（也称通带区）。
在f L 和f H 两点增益分别下降3dB ，而在低于f L 和高于f H 的两个区域，增益随频率远离这两点而下降。
在输入信号幅值保持不变的条件下，增益下降3dB 的频率点，其输出功率约等于中频区输出功率的一半，通常称为半功率点。
一般把幅频响应的高、低两个半功率点间的频率定义为放大电路的带宽或通频带，即BW=f H -f L 。
式中f H 是频率响应的高端半功率点，也称为上限频率，而f L 则称为下限频率。
通常有f L <<f H ，故有BW≈f H 。
2）单位增益带宽运放的闭环增益为1倍条件下，将一个频率可变恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，随着输入信号频率不断变大，输出信号增益将不断减小，当从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db （或是相当于运放输入信号的）时，所对应的信号频率乘以闭环放大倍数1所得的增益带宽积。
“宽带放大器设计与实现”(2015.05常州)
2.1 如何确定电源供电方式(续)
单电源供电：只适用 于交流信号的放大。无法 实现直流信号放大，级间必须采取交流(阻容)耦合 。
如，11年LC谐振放大器，明确要求是单电源 3.6V供电，方案设计时：
单电源供电； 级间为交流耦合方式； 设计重点是各级偏置电路的设计、降低级间 耦合电容对放大器低频截止频率fL和带内平坦度的 影响。
带内增益起伏≤1dB
-3dB
1MHz
fL 0.3MHz
3dB带宽
15(80)MHz fH
图2 幅频特性示意图
f（MHz）
赛题的考点主要有：
带宽(BW-3dB 0.3MHz～100MHz )； 增益（ Av ≥60dB，高增益、可调、带内波动）； 带负载能力(在R L=50条件下测试)； 动态范围（最大输出正弦波电压有效值Uo ≥1V）；
2.1 如何确定电源供电方式
放大器供电方式：双电源供电和单电源供电。 首选双电源供电 (在应用场合不受限制或没有特 别要求的情况下) 。 优点：偏置电路简单；可放大直流信号、级间 可采用直接耦合方式 。 如：09年宽带直流放大器，应采用双电源供电 ，级间为直接耦合方式，但此时应考虑直流补偿问 题。 03年、13年宽带交流放大器，应采用双电源供 电，级间采用直接耦合与交流(阻容)耦合相结合的 方式。
伏≤1dB。 （4）放大器的输入阻抗 = 50，输出阻抗 = 50 。
2013年真题示例：
射频宽带放大器（D题）
2．发挥部分
（1）电压增益Av ≥60dB，输入电压有效值Ui ≤1 mV。 Av在0～60dB范围内可调。 （2）在Av ≥60dB时，输出端噪声电压的峰峰值 UoNpp ≤100mV。 （3）放大器BW-3dB的下限频率fL ≤0.3MHz，上限 频率fH≥100MHz，并要求在1MHz～80MHz频带内
宽带放大器的设计方法以及仿真和实测
宽带放大器的设计方法以及仿真和实测分布式放大器能提供很宽的频率范围和较高的增益。
有一段时间，其设计通常采用传输线作为输入和输出匹配电路。
随着砷化镓(GaAs)微波单片集成电路的发展成熟，为了提高效率、输出功率、减小噪声系数，人们提出了很多种放大器电路类型，但是分布式放大器仍然是宽带电路(如光通信电路)的主流设计。
理解砷化镓微波单片集成电路GaAs MMIC 分布式放大器的设计，对很多宽带电路的应用都会有很大的帮助。
约翰・霍普金斯大学从198?年开始就开设了MMIC 设计课程，并在让学生在TriQuint 公司的产线上流片。
一款由Craig Moore(从198?年到2003 年，他一直担任该课程的助教)设计的分布式放大器作为该课程一个经典的设计例子。
该设计甚至经历了低温环境实验，在液氮的低温下表现出更低的噪声系数。
该放大器采用TriQuint 公司的0.5μm GaAs MESFET 工艺，其增益比基于0.5μm GaAs 伪高电子迁移率晶体管PHEMT 的新电路略低，2006 年的新课程中则采用了新版本的0.5μm GaAs PHEMT 分布放大器和一些其他电路作为例子。
本文将介绍宽带放大器的设计方法以及仿真和实测的结果。
分布式放大器使用宽带传输线给一组有源器件注入输入信号(如由于分布式放大器的应用场合很多，对各项性能指标的要求很灵活，宽带增益是其中最重要的一项指标。
在Craig Moore 这个设计例子中，采用了增强型PHEMT 器件，因为增强型器件只需要一组正电压供电。
为了能提供和198?年TriQuint 半导体公司采用的0.5μm GaAs MESFET 工艺的电路相同的性能，该设计采用了0.5μm GaAs PHEMT 工艺，并且使用3 级晶体管放大拓扑。
为了适应电池供电的应用，选用3.3V 电压。
当然为了满足不同的客户需求，工作电压和电流可以方便的在较大范围内调节。
在1.5V 和14mA 的供电下，仿真结果显示：仅。
宽带功率放大器的设计
宽带功率放大器的设计宽带功率放大器的设计0 引言宽带功率放大器的应用开始从军用向民用扩展，目前在无线通信、移动电话、卫星通信网、全球定位系统(GPS)、直播卫星接收(DBS)、ITS通信技术及毫米波自动防撞系统等领域有着广阔的应用前景，在光传输系统中，宽带功率放大器也同样占有重要地位。
在无线通信、电子战、电磁兼容测试和科学研究等领域，对射频和微波宽带放大器有极大需求，且这些领域对宽带放大器要求各不相同，特别是在通信系统和电子战系统的应用中，对宽带低噪声和功率放大器的性能指标有特殊要求。
在设计上传统窄带放大器的端口匹配，一般是按照低噪声或者共扼匹配来设计的，以此获得低噪声放大器或者最大的输出功率。
但是，在宽带的条件下，输入／输出阻抗变化是比较大的，此时使用共扼匹配的概念是不合适的。
正因为如此，宽带放大器的匹配电路设计方法也与窄带放大器有所不同，宽频带放大器电路结构主要可以分为以下几种：平衡式放大器；反馈式放大器；分布式放大器；有耗匹配式放大器；有源匹配式放大器；达灵顿对结构。
各种结构都有各自的特点和适用的情况，在设计中应当根据具体放大器的性能指标要求进行合理的选择。
1 宽带功率放大器的结构与原理1．1 宽带功率放大器的指标分析宽带功率放大器的许多指标和普通的功率放大器是一样的，如饱和输出功率、P1dB压缩点、功率效率、互调失真、谐波失真、微波辐射等，但宽带功率放大器也有特殊之处。
1．1．1 工作频带宽度工作频带通常指放大器满足其全部性能指标的连续工作频率范围。
1．1．2 增益平坦度与起伏斜率增益平坦度是指频带内最高增益与最低的分贝数之差，多倍频程放大器的增益平坦度一般是±1～±3 dB。
在微波系统中有时候需要两个以上的宽频带放大器级联，级联放大器的增益平坦度将变坏，这是由于前级放大器输出驻波比与后级放大器输入驻波比不一致造成的。
尤其在宽频带内，级间的反射相位有时迭加，有时抵消，增大了起伏，因此一般要在级联放大器的级间加匹配衰减器。
宽带低噪声放大器ADS仿真与设计
宽带低噪声放大器ADS仿真与设计[导读]介绍一种X波段宽带低噪声放大器(LNA)的设计。
该放大器选用NEC公司的低噪声放大管NE3210S01(HJFET)，采用微带阻抗变换型匹配结构和两级级联的方式，利用ADS软件进行设计、优化和仿真。
最后设计的放大器在10～13 GHz范围内增益为25．4 dB+0．3 dB，噪声系数小于1．8 dB，输入驻波比小于2，输出驻波比小于1．6。
该放大器达到了预定的技术指标，性能良好。
O 引言低噪声放大器(low noise amplifier，LNA)是射频接收机前端的重要组成部分。
它的主要作用是放大接收到的微弱信号，足够高的增益克服后续各级(如混频器)的噪声，并尽可能少地降低附加噪声的干扰。
LNA一般通过传输线直接和天线或天线滤波器相连，由于处于接收机的最前端，其抑制噪声的能力直接关系到整个接收系统的性能。
因此LNA的指标越来越严格，不仅要求有足够小的低噪声系数，还要求足够高的功率增益，较宽的带宽，在接收带宽内功率增益平坦度好。
该设计利用微波设计领域的ADS软件，结合低噪声放大器设计理论，利用S参数设计出结构简单紧凑，性能指标好的低噪声放大器。
1 设计指标下面提出所设计的宽带低噪声放大器需要考虑的指标：(1)工作频带：10～13 GHz。
工作频带仅是指功率增益满足平坦度要求的频带范围，而且还要在全频带内使噪声系数满足要求。
(2)噪声系数：FN<1．8 dB。
FN表示输入信噪比与输出信噪比的比值，在理想情况下放大器不引入噪声，输入／输出信噪比相等，FN=O dB。
较低的FN可以通过输入匹配到最佳噪声匹配点和调整晶体管的静态工作点获得。
由于是宽带放大器，难以获得较低的噪声系数，这就决定了系统的噪声系数会比较高。
(3)增益为25．4 dB。
LNA应该有足够高的增益，这样可以抑制后面各级对系统噪声系数的影响，但其增益不宜太大；避免后面的混频器产生非线性失真。
(4)增益平坦度为O．3 dB。
宽带放大器的设计与仿真
宽带放大器的设计与仿真
邬丽娜
【期刊名称】《电子科技》
【年(卷),期】2011(024)002
【摘要】采用TI公司的高速运放OPA820ID作为一级放大电路,THS3091D作为末级放大电路,在输出负载50 Ω上实现电压增益≥40 dB,通频带宽为10 Hz～10 MHz,并利用MSP430单片机控制1602液晶显示输出电压峰峰值和有效值,以及模拟电子技术和单片机信号采集处理完成了增益控制和输出显示.整个系统结构合理、设计简洁、性能稳定,可应用于课程设计、实训等教学场合.
【总页数】3页(P7-9)
【作者】邬丽娜
【作者单位】苏州职业大学电子信息工程系,江苏,苏州,215104
【正文语种】中文
【中图分类】TN722.1
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1.宽带放大器匹配电路的设计与仿真 [J], 李志敏;赛景波
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3.基于不同注入信号的集成宽带放大器失效分析 [J], 董戴;畅艺峰;邹旭军;唐启翔;
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4.TBH-412PSM 10kW短波发射机20W线性宽带放大器工作原理与维护 [J], 高滨; 许宏鹏
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Class-AB宽带功率放大器匹配方法的设计与仿真
Class-AB宽带功率放大器匹配方法的设计与仿真王毅敏;李佳旺【摘要】With the rise of the third communication revolution in the software-defined radio, the broadband RF power amplifier becomes the key part of the software radio transmission system, and has the advantages of wide bandwidth, large dynamic range, small size, long service life and so on. According to the characteristics of software radio and the development trend of current power amplifier, a broadband linear power amplifier with output power of over 25 W and 30-500 MHz working band is designed and developed. By using the coaxial line for broadband matching, and via analyzing the structure model and working characteristics of the push-pull high frequency broadband power amplifier, ADS simulation is done and the design verified. With the appropriate reactance value, the real part of the input-output impedance for the power pipe is made to meet the requirement of the same axis matching. Finally, the coaxial line length, characteristic impedance and the best value of the related components are acquired. After adjustment and optimization, the design reaches the expected indicators. This transformation model has a good prospect of analysis and application in the actual market.%随着软件定义无线电第三次通信革命的兴起,宽带射频功率放大器成为软件无线电发射系统的关键一环,具有频带宽、动态范围大、体积小、寿命长等优点.针对软件无线电的特点及当今功率放大器的发展趋势,设计研制了一款输出功率在25W以上、工作在30～500MHz的宽带线性功率放大器.采用同轴线进行宽带匹配,通过分析推挽式高频宽带功率放大器的结构模型和工作特点,利用ADS仿真验证设计.以合适的电抗值使功率管的输入输出阻抗的实部达到同轴线匹配的要求,最终得到同轴线长度、特性阻抗和相关元器件的最佳取值.经过调整和优化,使设计达到所需指标.这种转换模型在实际市场中有很好的分析应用前景.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2018(051)003【总页数】7页(P727-733)【关键词】宽带功率放大器;同轴线匹配;推挽式;ADS【作者】王毅敏;李佳旺【作者单位】哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TN722.750 引言随着灵活和开放的软件定义无线电第三次通信革命的兴起，越来越多的人开始投入到SDR架构的研究中。
宽带功率放大器的仿真设计研究
• 143•宽带功率放大器的仿真设计研究中国电子科技集团公司第五十四研究所 杜 浩 刘雪峰 宋海涛【摘要】随着移动通信、无线局域网等技术的发展和应用，宽频带功率放大器的需求日益增多。
本文采用级间匹配补偿技术，优化输入输出匹配电路，实现宽带大功率、平坦的频谱特性。
通过采用sumitomo公司的GaN功率管EGN25C07012的静态特性数据和小信号S参数，用ADS 仿真软件仿真设计频率范围800MHz～3500MHz，覆盖WLAN、GSM、TD-SCDMA三个应用频段、输出功率30W的宽带放大器。
【关键词】宽带；功率放大器；仿真0.概述无线通信技术的快速发展，对频段利用效率提出了更高要求。
无线通信装备中重要的组成部分功率放大器，其带宽要求达到3倍频程。
为了解决超宽带微波功放面临的技术瓶颈，通过宽带匹配技术仿真设计宽带功放。
在宽带功放的设计过程中，要对功率管的输出能力进行反复调试，通常在实物设计之前，需要对功放电路进行仿真，目前常用ADS 进行仿真设计。
1.功放设计宽带功放主要设计难点是幅频特性设计，功放在不同频率的增益不同，需要在设计时通过匹配补偿等设计手段补偿增益平坦度。
匹配补偿技术原理是在放大器级间引入匹配电路，目的是降低带内高增益的地方，使得放大器整体增益在要求带宽内尽量平坦。
通常可以在匹配电路中采用电阻的方式来实现，利用微带短路线的阻抗变换作用，降低高增益的频段的增益，获得较宽信号带宽。
同时，对于宽带阻抗匹配设计，可以在放大器阻抗匹配是采用多节λ/4支节、渐变传输微带线、低Q 多级匹配等方法实现。
其中，多节λ/4匹配，传输线特性阻抗为，从1端口输入阻抗为：（1）通过将多节λ/4支节级联，从而减小比值，可实现宽带特性。
渐变线传输微带线匹配，是一种特性阻抗连续变化的设计，等效于多节阻抗变换线在长度极限小的情况下的一种阻抗变换。
发射系数为：（2）由上述公式可知，反射系数随着L 的增大而变小。
可实现宽带匹配。
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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
Rf
v1
R1
-
A
v2
+
R2
RF
vo vo1vo2
vo
Rf R1
v1R2RFRF（1RR1f ）v2
当Rf=RF，R1=R2 时，
vo vo1vo2 RR1f（v1 v2） Av（ f v1 v2）
宽带放大器设计与仿真
宽带放大器设计与仿真
存在的问题
电路的共模抑制比（CMRR）被外部电阻网络所限 制。
宽带放大器设计与仿真
运算放大器构成信号的产生、信号的变换、信号处 理等各种各样功能，已成为构成模拟系统的基本单 元。
1.1 运算放大器的模型
vN vP
高阻 输入级
中间 放大级
低阻 输出级
vO
偏置电路
宽带放大器设计与仿真
1.理想运算放大器的模型
iN=0
vN
-
vD +
vP
+-
iP=0
AVOvD
净输入vD=0, (虚短)
宽带放大器设计与仿真
（3）专用差分放大器-IN132
+
A2
vo
加法电路
vo5V2v1
宽带放大器设计与仿真
D/A转换器单极性和双极性输出工作波形
vo5V2v1
v1
vo
+5V
0
t
0
t
-5V
-5V
思考题：怎样把0~3V的直流电压转换为-1V~0V
宽带放大器设计与仿真
4.基本差动放大电路
（1）差模信号和共模信号 很多传感器的输出信号既有差模信号，又有共模信号。
宽带放大器设计与仿真
电压源驱动的电阻电桥
压力测试仪，未受外力作用时，电桥平衡（左）； 受到外力时阻值改变，电桥不再平衡（右）上下两个 应变片在外力作用下弯曲：一个被拉长，值以+ε的比 例变大；一个被压短，阻值以－ε的比例变小。
宽带放大器设计与仿真
压力引起的电桥臂上 应变片的形变实际上是 非常的小，一个压力传 感器的满量程差分输出 通常都在20mV以下， 而共模电压则通常在 2.5V以上。如果直接对 信号放大，共模信号会 引起电路饱和。因此， 首先我们需要进行共模 抑制，提前出差模信号。 如上图，共模信号为 2.5V，差模信号为 6.3mV，我们只需将V+ 宽带放大器设计与仿减真 去V-即可，
差模信号为放大器的同相和反相输入端含有的不同信 号，这里的差模信号（Diffrential Mode Voltage） VDM=3V。
共模抑制比（CMRR:定义为差模的信号的放大倍数 比上共模信号的放大倍宽带数放大）器设计与仿真
电压源驱动的电阻电桥
电阻电桥可以用电流源驱动，也可以用电压源驱 动，其工作实质是由于外力作用，导致电桥臂上的一 个或几个电阻阻值发生变化，从而破坏电桥的平衡， 输出差模信号。通过调理和转换差模的信号的大小， 即可以获得电阻变化的信息，从而再换算出外力的大 小。
vO
vP = vN
净输入 iN= iP=0 (虚断)
（1）开环增益AVO＝∞； （2）输入电阻ri= ∞ ； （3）输出电阻ro=0；
（4）频带宽度△f=∞； （5）共模拟制比KCMR=∞； （6）失调漂移、内部噪声均为0。
宽带放大器设计与仿真
2.实际运算放大器的模型
vN - vD ri +
ro
vP
项目3 宽带信号发生器的设计与仿真
宽带放大器设计与仿真
模拟电子系统设计与实践
宽带放大器设计与仿真
TI 的精密型运放有下面几类（所有的y代表通道数量和关断功能与否） • OPAy2xx, TLExxxy: Bipolar，精密，微小输入失调电压，GBW<=80MHz； • OPAy1xx: FET, Difet， 精密，高输入阻抗，微小偏置电流，GBW<=10MHz； • OPA637,OPA627: Difet， 精密，优秀的直流交流特性，GBW<=80MHz； • OPAy3xx: CMOS, <=5.5V, 精密,直流特性出众，低噪低功耗，GBW<=200MHz； • OPAy7xx: CMOS, <12V; GBW<=20MHz • TLV/TLCxxxy： CMOS, <=16V; GBW<=10MHz; 针对低成本，低频应用
假如 R1，R2，R3，R4 中仅有一只电阻有 0.1％ 的误差，导入上面的公式可以得到 CMRR 将下降到 66dB； 若误差为 1％，CMRR 将下降到46dB。 那么，我们在通用电子市场上里通常能买到的最精 密的电阻为多少误差呢？ 1％，而我们在学校里经 常抓来使用的电阻常常只有 5%的甚至更差的精度 ，这将使我们的共模抑制比更加“惨不忍睹”。 上面 的例子里， VCM＝2.5V， 若 VDM＝20mV， 60dB 的 CMRR 将使 VCM＝2.5V减小到 1/1000 ， 此时 VCM 仍将有 2.5mV，这相当于有用差模信 号的 10%，对我们的测量结果有相当大的影响， 因 此我们需要更高的 CMRR。
+
+
-
AVOvDiN=0vN-vO
vP
vD +
+-
AVOvD
vO
iP=0
（1）差分输入电阻ri； （2）电压增益AVO； （3）输出电阻rO； （4）差分输入电压vD=vP-vN。
uA741运算放大器的
rd=2MΩ， AVO=200V/mV，ro=75Ω。
宽带放大器设计与仿真
1.2 用集成运放构成的典型放大电路