高增益宽带放大器的研究与设计

南京师范大学中北学院

毕业设计（论文）（2013届）

题目：高增益宽带放大器的研究与设计

专业：电子信息工程

姓名：XXX 学号： XXX

指导教师：王兴和职称：教授

填写日期： 2013-5-10 南京师范大学中北学院教务处制

摘要

在无线通信系统中，高增益宽带放大是其重要的组成部分，它性能的好坏对整个系统起着重要的的作用。随着通信技术的发展，军用和民用对其提出了更高的要求，对射发系统的研制提出了更高的要求甚至是全新的要求。

文章介绍了一种基于模拟运算放大器实现的增益可控的宽带放大器。该器件由三个部分组成，第一部分由运算放大器OPA2613组成，第二部分中间级连续可调增益由放大器OPA842完成，第三部分功放由AD811完成。工作频带宽可达3.9MHZ，增益调节0dB-53dB。放大器噪声小, 动态范围宽。在通频带内增益起伏为1dB左右。通过反馈电阻可调，可实现增益的变化。通过Multisim的仿真能达到良好的效果。整个系统工作可靠，稳定，而且成本低效率高。

关键词：OPA2613 OPA8421 AD811 可控增益带宽放大器

ABSTRACT

In a wireless communication system, high-gain broadband amplification is an important part of that, It is good or bad performance of the whole system plays an important role. With the development of communication technology, military and civilian put forward higher requirements for it, Hair on the radio system development put forward higher requirements even entirely new requirements.

This paper presents a simulation-based operational amplifier gain controlled wideband amplifier. The device consists of three parts, the first part of the operational amplifier OPA2613, and the second part of the intermediate stage adjustable gain amplifier OPA842 completed by the third part of the amplifier by the AD811 is completed. Frequency band up to 3.9MHZ, gain adjustment 0dB-53dB. Amplifier noise, wide dynamic range. Ups and downs in the pass band gain is about 1dB.. Adjustable through the feedback resistor, the gain variation can be achieved. By Multisim simulation can achieve good results. The whole system is reliable, stable and cost-inefficient rate.

Key words: OPA2613 OPA8421 AD811 Controllable gain Bandwidth amplifier

目录

第一章绪论 (5)

1.1高增益带宽放大的研究意义 (5)

1.2 国内外研究的现状 (5)

1.3 研制难度和未来发展趋势 (5)

第二章带宽放大的主要指标和常见问题 (6)

2.1 工作频带宽度 (6)

2.2 电路的增益 (6)

2.3 非线性失真 (7)

2.4 自激振荡 (9)

2.4.1 自激振荡的条件 (9)

2.4.2 稳定工作的条件及稳定分析 (9)

2.4.3 消除自激振荡的方法 (9)

2.5 噪声干扰 (10)

2.5.1 放大电路的噪声 (10)

2.6电源电压的波动 (10)

第三章芯片的介绍 (12)

3.1 OPA2613的芯片简介 (12)

3.1.1 芯片说明 (12)

3.1.2 工作参数 (12)

3.2 OPA842的芯片简介 (12)

3.2.1芯片说明： (12)

3.2.2 典型特征 (12)

3.3 AD811的芯片简介 (13)

3.3.1 芯片说明 (13)

3.3.2 典型特征 (13)

第四章带宽放大器的硬件实现 (14)

4.1系统的设计及其理论分析 (14)

4.1.1 系统的总体设计 (14)

4.1.2系统的分块分析 (14)

第五章硬件电路的测试 (20)

5.1 测试条件 (20)

5.2测试方案及其数据 (20)

结束语 (22)

致谢 (23)

参考文献 (24)

附录 (25)

附录1高增益带宽电路图 (25)

附录2 元器件清单 (26)

第一章绪论

1.1高增益带宽放大的研究意义

随着微电子技术的发展，可变增益放大器是无线通信系统中必不可缺的重要模块，典型地应用在自动增益系统反馈回路中。它根据接收到的信号强弱，不断的进行手动增益调节，已获得足够大的信号。高增益和带宽往往是矛盾的，由于大电路存在电抗性原件（如耦合电容和旁路电容）及三极管的极间电容，他们的电抗能力随着信号频率变化而变化。因此，放大电路对不同频率的信号具有不同的放大能力，其增益的大小和相移均会随频率变化而变化，即增益是信号的频率的函数。增益的增加往往以牺牲带宽为目的。为了克服以上局限，需要电路优化兼顾制造工艺，才能设计出高性能的带宽放大器。因此此课题具有一定的研究意义。

1.2 国内外研究的现状

放大电路发展到现在，有许多种类和应用，模电教科书就介绍过，共基级，共集电极，共发射级。随着科学技术的发展，带宽放大器有了很大的变化，已经广泛应用于军用，民用通信，现在对带宽和放大倍数有了跟高的要求。随着功放相关理论的进一步发展，更优的带宽放大器会出现，并应用于无线电通信。

5G网络是当前国际上一项需要发展的热门技术。13年5月13号三星电子通过研究和实验，在28GHz的超高频段，以每秒1Gb以上的速度，成功实现了传送距离在2Km范围内的数据传输。

1.3 研制难度和未来发展趋势

高增益带宽放大研制的一大难点是线性度的提高，高线性放大器是放大器的一个明显趋势。

目前针对高线性的研究，已经成为热点，随着科学技术的发展，出现了许多新技术和新颖的方案，与传统的带宽窄，放大倍数底的方法相比有了很好的进步，而且放大芯片的集成度越来越高，体积也越来越小。可见，未来的带宽放大器会朝着高效率，高带宽，高线性发展。

第二章带宽放大的主要指标和常见问题

2.1 工作频带宽度

带宽放大的工作频率常用倍频表示。在输入信号幅值保持不变的情况下，增益下降3dB的频率点，其输出功率等于中频区输出功率的一半，通常称为半功率点。一般把频率响应的高低二个半功率点间的频率差定义为放大电路的带宽或通频带。

2.2 电路的增益

放大电路一般有四种电压放大电路、电流放大电路、互阻放大电路、互导放大电路，对应的放大有电压放大Av,电流放大Ai，互阻放大Ar及互导放大Ag。他们实际反应放大电路在输入信号控制下，将供电能源能量转化为能量信号的能力。其中Av和Ai二种无量纲增益，在工程上常用10为底的对数增益表达，其基本单位为贝尔（Bel,B)，平时用它的十分之一单位“分贝”（dB)。这样分贝表示的电压增益和电流增益分别表示如下：

电压增益=20 lg|Av| dB

电流增益=20 lg|Ai| dB

由于功率与电压（或者电流）的平方成比例，因而功率增益表示为：

功率增益=10 lgAp dB

电压增益和电流增益之所以采用绝对值，是考虑到在某些情况下Av或Ai 为负数，这意味着输出与输入之间的相位关系为180°，这与对数的增益为负值的意义不同，二者不能混淆。例如，当放大电路的电压增益为-20dB时，表示信号电压经过放大电路后，衰减为原来的1/10，即|Av|=0.1。

用对数方式表达放大电路的增益之所以在工程上得到广泛的应用是由于：（1）当用对数坐标表达随增益变化的曲线时可能扩大增益变化的视野；（2)计算多级放大电路的总增益时，可将乘法化为加法进行运算。上述二点有助于简化电路的分析和设计过程。

图2-1电压放大电路

图2-2电流放大电路

2.3 非线性失真

放大电路对信号的放大应该是线性的。输出电压V o和Vi具有线性关系，如电路图2-3所示输出应该是输入的10倍。然而，实际的放大电路并不如此。由于构成放大电路的元器件本身是非线性的，加之放大电路工作电源受到有限电压的影响限制，所以，实际的传输特性不可能达到理想情况。由此表明放大电路的增益不能保持恒定，随输入信号的变化而变化。由于放大电路这种非线性特性引起的失真称为非线性失真。

图2-3测试电路

测试一：输入频率为1KHz，振幅为1Vp的正弦波。示波器输入输出如图2-4

通道A输出（黑线）通道B输入（红线）

图2-4输入输出波形图

测试二：输入频率为1MHz，振幅为1Vp的正弦波。示波器输入输出如图2-5

通道A输出（黑线）通道B输入（红线）

图2-5输入输出波形图

从电路图2-4和电路图2-5可以看出当输入信号频率改变时，输出的放大倍

数变小了而且向位移动了，由此可以看出放大电路受到本身器件的影响

2.4 自激振荡

2.4.1 自激振荡的条件

自激振荡的条件为|AF|=1和arg(AF)=φA+φF=±(2n+1)π(n=0，1，2，…)上述公式是在负反馈的基础上推导出来的，相应条件是在-180°的基础上(中频时Uo与Ui反相)所产生的附加相移Δφ。

2.4.2 稳定工作的条件及稳定分析

根据AF的幅频和相频波特图来判断，设G(dB)=20lg|AF| dB。

(1) 当Δφ=-180°时(满足相位条件)：若G<0，则电路稳定；若G≥0 (满足幅度条件)，则自激。

(2)当|AF|=1，即G=0dB时(满足幅度条件)：若|Δφ|<180，移相不足，不能自激；若|Δφ|≥180°，满足相位条件，能自激。

用上述二个方法中任何一个判断均可，需要注意的是，当反馈网络为纯电阻时，反馈系数F为实数。

2.4.3 消除自激振荡的方法

自激振荡有幅度条件和相位条件，只要能够使其中的一个条件不符合，电路就可以稳定地工作。

（1）主极点补偿

方法一：增加主极点在反馈环路中增加一个主极点，并使它远离第二个极点，从而改变环路增益的频率特性，实现频率补偿。

方法二：改变主极点与前一种方法相比，这种方法在补偿前，后极点的个数不变，只是把原来的主极点左移，使之远离其他极点，直到|AF|波特图上的第二个极点不超过0dB线为止

（2）密勒补偿

主极点补偿中所用的电容和电阻都比较大，在集成电路内部使用比较困难，这是可用密勒效应，将补偿元件跨接在某放大级的输入和输出之间，如图2-6所示。这样用较小的电容就可以获得满意的补偿效果。

图2-6密勒效应补偿

2.5 噪声干扰

放大电路是一种弱电系统，具有很高的灵敏度，因而容易受到接受外界和内部一些无规则信号的影响。如果这些干扰信号能与有用信号相比较时，那么在放大电路的输出端有用信号将被淹没，妨碍了对有用信号的观察和测量。因此，噪声和干扰在高灵敏度放大电路中必须要认真对待。

2.5.1 放大电路的噪声

噪声的种类及性质：

（1）电阻的热噪声

（2）三极管的噪声：热噪声，散粒噪声，闪砾噪声。

放大电路的噪声指标--噪声系数

减小噪声的方法：

选择低噪声集成运放。

（1）如果市场产品低噪声集成运放不能满足要求，可用JEFT对管和相关的低噪声元器件组成低噪声放大电路来实现测量

（2）采用滤波处理或引入负反馈来抑制噪声

（3）借助软件的方法，对数据进行处理来减小噪声的影响。

2.6电源电压的波动

由于电路需要直流供电，但是电源电压都是由交流信号转换而来的，或多或少存在交流成份，在实际电路中会对电路性能产生影响如图2-7，因此消除这种影响非常有必要。

图2-7电源电压波动图

解决方案：对于电源电压中混有50 HZ等交流分量的这种情况，我们一般在电源和地线之间串联一个容值较大的电容（一般为1uF）来解决电源电压波动问题。如图2.7所示。因为电容有隔直流通交流的作用，当电源电压中有交流分量时，电容器就会把交流成分滤掉，只剩下稳定的直流分量。

图2-8滤除电压波动图2-9电压滤除干扰后

第三章芯片的介绍

3.1OPA2613的芯片简介

3.1.1 芯片说明

OPA2613是双片高性能运算放大器，结合出色的直流交流的特点。他们具有非常低的噪声，高输出驱动能力，高单位增益最大输出摆幅带宽，低失真输入保护二极管和输出短路保护。

3.1.2 工作参数

高单位增益带宽：230MHZ

高增益带宽积：125MHZ

灵活的供电范围：单+5V到+12V，双±2.5V到±6V

3.2 OPA842的芯片简介

3.2.1芯片说明：

该OPA842提供了一个水平的速度和动态范围高不可攀的单片运算放大器。使用单位增益稳定电压反馈架构两个内部增益级，OPA842实现极低的谐波失真，有很宽的的频率范围。经典的差分输入提供了所有熟悉的精密运算放大器的好处。单位增益稳定使OPA842特别适宜作为低增益差动放大器跨阻放大器，增益+2视频线驱动器，带宽集成，低失真模拟-数字转换器（ADC）的缓冲区。

特点：

单位增益带宽：400MHZ

增益—带宽积：200MHZ

非常底的失真：-93dBc（5MHZ)

高开环增益：110分贝

3.2.2 典型特征

放大倍数随频率的变化

图3-1典型特征

3.3 AD811的芯片简介

3.3.1 芯片说明

AD811是宽带电流反馈运算放大器，带宽为120 MHz，AD811为所有视频系统的绝佳选择。AD811的设计满足严苛的0.1 dB增益平坦度的指标的，宽度为35 MHz（G = 2）。AD811非常适合作为ADC或DAC缓冲区中数据采集系统中，由于其低失真高达10 MHz和其单位增益带宽宽。AD811是电流反馈放大器，带宽可以维持在一个较宽的增益范围。

3.3.2 典型特征

图3-2典型特征

第四章 带宽放大器的硬件实现

4.1系统的设计及其理论分析

4.1.1 系统的总体设计

本系统实现目标为，0-53dB 可调，带宽为3.9MHZ 。可以分为三个模块，如图所示，第一部分为输入缓冲模块，运放构造电压跟随器作为输入缓冲，同时提高输入阻抗，固定增益将微弱信号放大到适合后级处理的范围。第二部分为增益可调，实现50dB 的增益变化。第三部为功率放大模块，驱动10欧姆的负载。

图4-1系统框图

4.1.2系统的分块分析

模块一：

输入级放大由电压跟随器和固定增益放大组成。

（1）电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。

电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。

在电路中，电压跟随器一般做缓冲级(buffer)及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。

电压隔离器输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到“隔离”作用。

电压跟随器常用作中间级，以“隔离”前后级之间的影响，此时称之为缓冲级。基本原理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点。

电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，可以极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，即使前、后级电路之间互不影响。

输入 信号 输入级放大 中间级可调放大 输出级功率放大 信号 输出

（2）固定增益放大，电子电路中的运算放大器，有同相输入端图4-2(a)和反相输入端图4.2(b)，输入端的极性和输出端是同一极性的就是同相放大器，而输入端的极性和输出端相反极性的则称为反相放大器。

图4-2(a)同相放大图4-2(b)反相放大

图4.3采用OPA2613作为运算放大器。前面是电压跟随，输入和输出电压一样，根据虚短和虚断知道5脚和6脚电压都为零。

通过电流相等(Vi-Vn)/1=(Vn-V o)/10

Vn=Vp=0

V o=-10Vi

图4-3模块一输入缓冲

模块二：

可变增益模块选用TI公司的高增益放大器OPA842。把OPA842搭成反相放大电路，通过反馈电阻可调来实现增益可调。可调电阻与增益的函数关系为：

Vi/R1=-V o/R2

G(V o/Vi)=-R2/R1

G(dB)=20ln|-R2/R1|(R1=1kΩ,R2可调）

由于输入的是交流信号所以在R2的阻值上升到10KΩ时电压放大倍数可以达到10倍，也就是20dB。

OPA842的电路原理图如图4-4所示，此处可以实现20dB的动态范围，增益调节的方式为手动调节，通过R2的电阻的可调来实现反馈的可变，最终实现增益可调。

图4-4 模块二可控增益

模块三：

此模块需要对前面输出的信号进行功率放大，最后驱动10欧姆负载。功放由运放扩压输出电路对信号进行电压放大，然后进行电流放大，从而完成功率放大的功能。电流放大部分采用2N5551和2N5401搭建的甲乙类对称功率放大器。

运放扩压分析，由于需要带动负载，前面二级放大的电压不够，但功放级受工作电压的影响，容易产生失真。所以采用浮动运放电源的方法进行输出电压扩展。常规供电方式如图4-5(a)电源电压直接取自稳压源。图4-5(b)运放供电电压由二个三极管的发射级提供。R3=R4=R5=R6，忽略三极管导通电压V BE压降。

V+=1/2(Vcc-V o)+V o=12+1/2V o

V- =1/2(-Vcc-V o)+V o=-12+1/2V o

V+ - V- = 24

下面通过Multisim进行仿真比较：

(a)常规供电(b)改进供电

图4-5运放常规方式和改进供电方式

同时接入频率为1MHZ，振幅为500mV的正弦波，图4-6为示波器的波形

(a)常规供电模式的输出波形

A通道输入（黑线） B通道输出（红线）

(b) 改进供电的输出波形

图4-6二种供电方式下的输出波形

甲乙类功放分析：当交流信号为正时，三极管2N5551导通，当交流信号为负时，三极管2N5401导通，但是三极管有一个导通电压，加二极管1N4002是为了克服交越失真，如图4-7和4-8所示，图4-9中的可调电阻是调节偏置电压用的。

图4-7交越失真

图4-8克服交越失真

图4-9模块三功率放大