高频报告-可调增益宽带放大器设计

可变增益宽带放大器设计

1、应用背景

随着社会发展，随着计算机和互联网的迅速普及，多媒体信息的高速传输呈现飞速增长的趋势，各类型放大器的运用领域不断扩展。在当今科技和通讯高速发展下，各种自动化、智能化仪器装置对信号的要求越来越高，尤其在一些高精度的领域，对小信号的放大与处理要求更为严格。普通的运放存在着本身不可忽略的缺点，用普通的运放设计的放大器一般具有频带窄、噪声系数大、低增益的特点。宽带放大器可以对宽频带、小信号、交直流信号进行高增益的放大，广泛应用于军事、光纤通信、电子战设备及微波仪表和医用设备等高科技领域上，具有很好的发展前景。研究和设计一款高增益、高精度、低噪声、增益可控性高的宽带放大器成为了人们的广泛关注。[1]要同时满足这些性能指标，对电路设计提出了很高的要求，尤其是高频PCB 和电磁兼容的设计要求。

2、设计目的

要求所设计的高频小信号放大器输入/输出电压处于动态可变范围的前提下，同时兼顾增益与带宽的要求，使其具有较宽的频带，同时具备低噪声、工作稳定的特点。

3、系统设计

根据设计要求，可将系统分为以下几部分模块：前置放大电路、中间级增益可调放大电路、后级功率放大电路。为降低噪音，在多级放大电路中，应注意第一级放大电路的降噪设计，可通过选用低噪声芯片设计固定增益放大电路，并注意设计反馈电路。中间级增益可调放大电路可选择可编程增益芯片，通过调整接入电阻调整增益。[2]

图表一 系统设计框图 4、方案选择

4.1芯片类型选择

4.1.1AD603

AD603是一种具有程控增益调整功能的芯片。它是美国ADI 公司的专利产品，是一个低噪、90MHz 带宽增益可调的集成运放，它提供精确的引脚可选增益，90 MHz 带宽时增益范围为-11 dB 至+31 dB ，9 MHz 带宽时增益范围为+9 dB 至+51 dB 。用一个外部电阻便可获得任何中间增益范围。折合到输入的噪声谱密度仅为1.3 nV/√Hz ，采用推荐的±5 V 电源时功耗为125mW 。两片AD603级联时，总增益的控制范围为84.28dB ，因此符合增益可调，带宽较宽、低噪声的设计要求。

图 1AD609引脚图

4.1.2AD811

AD811是一款宽带电流反馈型运算放大器，-3 dB 带宽为120 MHz (G=+2)，带宽达到35 MHz (0.1dB,G = +2)。低失真特性(带宽最高可达10 MHz)和宽单位增益带宽，使AD811非常适合用作数据采集系统中的ADC 或DAC 缓冲器。该放大器还具有1.9 nV/√Hz 的低电固定增益

放大电路 可调增益 放大电路

功率放大 电路 输入信号 输出信号

压噪声、20 pA/√Hz 的低电流噪声以及出色的直流精度。但考虑到输出信号幅值随频率增大而减小，系统需采用数控电位计X9C102 来实现可变增益放大，即依据输出信号频率的不同来改变数控电位计的值，以改变增益，实现增益可控的目的。

图 2AD811引脚图

4.1.3VCA820

VCA820是高增益调节范围的宽带可变增益放大器，具有±40dB 的高增益调节范围，具有2.4nV/√Hz 的低输入噪声电压，具有恒定带宽与增益，可达到35MHz 。温度稳定高，其增益与控制电压呈线性关系，但是电路稳定的线性特性很难控制，增益调节精度不高，芯片性价比不高。且市面较难购得此款芯片，因此不采用这款芯片。[3]

图 3VCA820引脚图

4.1.4OPA690

OPA690是宽带电压反馈运算放大器，常用于高频小信号放大电路，单位增益稳定为500MHz ，小信号输入时，当放大倍数大于10时，高频放大性能变差。常用于高速成像通道、ADC 缓冲器、便携式仪器等。[4]增益与带宽关系如下：

表 1OPA690增益和带宽的关系 增益

带宽（MHz ）

图 4OPA690引脚图 1

500 3

220 10 30

4.1.5OPA820

OPA820是单位增益稳定,低噪音电压反馈运算放大器，有一个很低的输入噪声电压和使用一个低的5.6mA 供应电流产生高输出电流。在单位增益里, 当峰值<1dB 时 OPA820给出一个>800MHz 的带宽。 在低功耗情况下，OPA820补充这一高速操作装置具有优良的直流精度。最坏的情况下的偏置电压为±750μV 和偏置电流为±400nA ，它们给脉冲放大器应用程序一个优秀的绝对直流精度。

图5OPA820引脚图

4.2固定增益放大电路方案选择

4.2.1使用分立元件搭建共基极放大器

在三极管搭建的三类放大电路中，共基极放大器电压增益大，电流增益小，输出电阻小，适合于高频工作。但由于设计要求为宽带放大器，要求带宽较高，故对于三极管型号的选择以及电路的搭建布线等都要求较大，实行起来比较困难。

4.2.2采用集成运算放大器

集成芯片电路简单，使用方便，性能稳定，超高速集成运放放大电路OPA690 增益为63 dB，具有1 800 V/μs 的摆率。单位增益带宽积为500 MHz，3 dB时带宽为220 MHz，平坦度较好，符合相关要求，故选择此方案。[5]

4.3功率放大器方案选择

4.3.1使用分立元件搭建功率放大器

这种采用多级分立高频的放大电路路缺点十分明显，由于线路比较复杂，相互之间的影响比较大，难以精确地对参数进行调节，设计要求的带宽难以保证，因此不采用此方案。4.3.2采用集成运算放大器

THS3091驱动负载能力较大，是一个高电压，低失真，电流反馈运算放大器，该方法电路简单，增益可调，且可以通过运放并联的方法增加其驱动负载的能力，此方法电路简单，容易调试，故选择此方案。

4.4电源电路方案选择

该系统提供+5V单电源。若采用单电源VCC供电，则需将运放的输入端的一端电压抬高为VCC/2，这样才能获得最大幅值，但是这样的设计方案会增加系统的复杂性，运放的工作电流会非常大，运放发热量大，使系统难以保证稳定工作。为此，应采用双电源供电。

4.4.1方案一

如图6所示，采用两只阻值一样的大功率电阻，用电阻分压的方式获得正负电源，但是这种电路自身消耗大，阻值较大时带负载的能力又太弱。

图6电源设计方案一

4.4.2方案二

在方案一上加以改进，如图7增加两个三极管，加强了电路的带负载能力，其输出电流的大小取决于Q1和Q2的最大集电极电流ICM。通过反馈回路可使两路负载不相同时也能