宽带放大器设计

宽带放大器设计
一、设计目的
(1)掌握宽带放大器的设计、组装与调试方法；
(2)熟悉集成电路的使用方法。

二、设计内容及要求
(1)设计一个宽频带放大器，要求带宽大于30MHz ，可扩展；
(2)带宽增益积大于300MHz ，可扩展；
(3)输出阻抗为600Ω，输出电压≥1V 。

三、宽带放大器原理
几种常见宽带放大器（参考）：
1．二级直接耦合宽带放大器电路
图1是二级直接耦合宽带放大器电路，第二级采用PNP 型晶体管，这种电路适合于提高电源电压的利用率，需要给出较大输出振幅的电路。

各级开环增益为20dB ，与R1串接的电位器RP1用于调整晶体管最适宜的偏置。

隔直电容C1和C2的参数由低频特性确定，频率特性上限由所使用的晶体管（特别是VT2）限制，若使用2SA495晶体管，约有30MHz 的带宽。

VT2要求具有高截止频率f H ，低输入电容C Ob 晶体管。

直流偏置是降低集电极负载电阻，有较大工作电流。

这种电路要采用稳定电源供电，低负载使用时，要在VT2输出增设1级射随电路。

两级宽带放大器构成电压串联负反馈电路，其电压放大倍数
11451=+=R R Auf
图1 二级直接耦合宽带放大器电路
2．宽带缓冲器电路
宽带缓冲器电路如图2所示。

这种电路用作电流驱动能力较弱的通用宽带运放输出电路，要求高速动作的无放电电路及50Ω负载的线路驱动电路等。

该电路属于简易功率合成器，VT1、VT2、VT3和VT4均工作在射极跟随状态。

要求VT1与VT2，VT3与VT4参数一致。

输入的功率P IN在A点一分为二，经过电流放大后，在B点合成。

电压放大倍数不超过2，但接近2。

但电流放大倍数较大，因此功率放大倍数也较大。

此电路输入阻抗高，而输出阻抗低，正适合于作驱动级。

图2 宽带缓冲器电路
电阻Ri用于防止高频振荡等异常动作。

旁路电容Cl和C2也很重要，要靠近晶体
管安装。

3. 10MHz以上的宽带放大器电路
图3是采用μPC4539C构成的宽带放大器电路。

视频放大器常采用差动输入／差动输出的μA733，此电路是电流差动型的宽带放大器电路，转换速率高(60V／μs)，GB乘积大(300MHz)，高频特性优良，并由μPC4539外部设定工作条件。

图3 采用μPC4539C构成的宽带放大器电路
μPC4539C 内电路结构为电流差动型，与一般放大器的设计方法不同。

首先是偏置工作点的设定，内部电流基准I SET 由R5设定，I SET =(V CC -1.2V)/(R 5-lk Ω)，当R 5=20k Ω时，I SET 为568μA 。

7脚偏置输入电流由V CC 和R4确定，与输出端的直流电位无关。

因单电源工作， μPC4539C 的输入／输出需接隔直电容，根据需要低频特性选用C1与C5。

反馈放大器的 增益由R3与R2之比决定，约10倍(20dB)，与R3并联相位补偿电容，抑制高频尖峰信号，获得平坦的频率特性。

GBW 随设定电流I SET 的不同大幅度变化，I SET 为20μA 时，GBW 为20MHz;；100μA 时为90MHz ；1mA 时为300MHz 。

闭环增益由电阻R2和R3确定，采用稳定性高的金属膜电阻。

电容C1和C5根据低频截止频率选定，R f C c π21≥ (R 为750Ω或150Ω)，C1和C2采用l00μF 以上的铝电解电容，但高频时阻抗增大，与其并联0. l μF 的陶瓷电容更好。

4．采用y,PC1663C 构成的宽带放大器电路
图.4是采用μPC1663C 构成的宽带放大器电路。

μPC1663C 与视频放大器μA733有相同的电路结构，高频特性好，达到100MHz 以上的频率。

适用于高清晰度电视、高分辨显示器、视频电路、CCD 传感放大器等电路中，需要带宽特性的电路。

图4 11PC1663C 构成的宽带放大器电路
μPC1663C 是差动输入／输出型集成芯片，此电路使用单端输入／输出。

输入端用R1(50Ω)作为终端电阻，采用直流耦合，但输出端产生约3V 的同相电压，需要电容C3进行交流耦合。

差动输出作为单端使用时，不用的输出端子开路，特性发生变化，因此，接入R4和R5调节平衡。

输入差动晶体管的发射极间电阻R3用于设定差动增益，R3为0时，增益为300倍，100Ω时为100倍，1.2k Ω时为20倍。

若R3采用lk Ω可变电阻，就可方便改变增益。

与一般运放相比，其特点是即使改变闭环增益，频率特性也不会改变。

5. 50MHz 宽带放大器电路
宽带放大器广泛用于高速脉冲与视频电路、高频振荡器、高速A/D 转换器的前置放大器等。

图5中的运放A1采用HA2539构成的宽带放大器电路。

HA2539追求高速性能，具有S/R 为600μs ，GB 积为600MHz ，f T 为400MHz 及优良的交流特性，但不足之处是失调电压最大为15mV ，输入偏置电流为20μA ，失调电流最大为6μA ，输入阻抗典型值为l0k Ω，不适用运算等电路。

为使工作频率达到100MHz ，必须降低电路阻抗，反馈电阻R3为lk Ω左右，据此推算
R2，令R1 =R2 //R3，以减小因输入偏置电流产生的失调。

为使输出阻抗为50Ω，在输出端串联电阻R4，如果与下级的连线短接，则可不接R4。

电源线路的旁路电容要靠近HA2539安装，要与钽电容C2并联0.01～0. lμF的陶瓷电容。

图5 50MHz宽带放大器电路
6. 100MH超宽带直流放大器电路
如图6所示是采用CLC221A构成的超宽带直流放大器电路，它适用于放大高速脉冲信号。

CLC221A特性良好，转换速率为6500V／μs，tr=tf=2.1ns，- 3dB带宽时频率为170MHz;直流特性好，失调电压为0.5mV，漂移电压为5μV，可直接构成宽带直流放大器。

图6采用CLC221A构成的超宽带直流放大器电路
CLC221A与普通运算放大器设计不同，它采用电流反馈方式的高性能运算放大器。

同相放大与反相放大均大，但反相放大时可获得平坦的频率特性，片内有R f为1.5kΩ的反馈电阻。

同相放大器时，可按A IN为1+(1. 5kΩ/R G)计算出R G；反相放大时，可按A IN为1. 5k Ω／R G计算出R G。

7．低漂移宽带放大器电路
图7采用TL592B构成的低漂移放大器电路。

为了改善直流特性，增设直流反馈运放A2电路，该电路的失调漂移取决于A2，高频特性取决于A1的复型放大器电路。

图7.9.7 采用TL592B构成的低漂移放大器电路
TL592B的噪声特性比普通运放有所改善，lkHz～l0MHz的输入信号其噪声电压典型值为3μV。

TL592B可构成直流复合型放大器，直流到低频由直流特性好的运放A2决定，直流特性较差的TL061接人反馈环内。

高频特性由A1决定，它可获得300MHz频率的平坦特性。

因为TL592B输入差动放大电路的射极间电阻可使电路获得13～400倍的差动增益。

所以调整RP2可使整个电路的频率特性保持平坦。

TL592B的输出端4，5产生2.9V的同相电压，而失调电压的典型值为350mV，因此，兼作缓冲器的电平移动电路（VT1和VD1）时也是2.9V压降。

VT2为有源负载电路，恒流偏置值由稳压管稳定电压与射极电阻R6决定，即I=（V Z2-V BE）/R6=13mA。

输出电阻R7决定输出阻抗，按照不同需要选用其阻值，最好还是按抑制VT1的最大集电极电流来确定。

TL592B的输入偏置电流比通用运放大，典型值为9μA，若输入端采用交流耦合，就会产生失调电压，应并联小电阻。

8．宽带ALC放大器电路
图8采用TL026等构成的宽带ALC放大器电路，这是一种把输入电平的变动稳定保持在某一电平上的电路。

例如，在产生低频到几十兆赫兹的信号发生器中，由于输出电平的频率特性不平坦，为此增设本电路，可自动控制振幅保持恒定。

另外，为降低输出阻抗，增设缓冲器电路。

图8电路中，外部电压改变增益的宽带采用TL026集成芯片，它具有20dB的压缩特性。

输入电路中接人的电阻R0用于降低输入电平（输入电平为-26～-6dB以上）。

TL026驱动50Ω以上负载时，不能获得较大输出振幅，因此，增设晶体管构成的缓冲器电路，使其减轻负载。

图中：A1 TL026、A2和A3 TL072、VT1 2SA733、VT3 2SC945、VT3 2SC945
VD1和VD2 2SS97、VD3和VD4LS1588、VT4 2SA733
图8宽带ALC放大器电路
TL026为差动输出，若其负载电阻不相等，则频率特性要改变，为此，在5脚接人电容C2和电阻R4。

2，7脚的电位差可对增益进行控制。

运放A2用于直流电平稳定。

用二极管VD1对输出电压进行整流，其直流电压与基准电压(R P1上电压)进行比较。

接入的二极管VD2是为了补偿VD1的温度特性。

运放A2工作于比较器状态，输出电平增加时，来自VDi的电流变大，则A2对其积分输出负电压并加到A3的反相输入端，使2脚对A2的7脚电位增加，促使增益降低。

9．宽带对数放大器电路
图9采用TL441构成的宽带对数放大器电路，获得80dB的对数压缩特性，每十进位（10倍的变化）获得0.1V输出，把- 80～+l0dB范围的电平变化压缩为0～0.5V。

该电路可用于通信、计测等装置的IF放大器及宽量程电平显示器中。

TL441的内部电路如图10所示，内有4个差动放大器，每个差动放大器放大30dB，总共120dB范围，从实用性考虑，约80dB的压缩比较好。

根据差动放大器的输入／输出特性，1个对数放大器不能获得直线性，故采用8个对数放大器。

所以，每个对数放大器平均压缩15dB。

为了处理微弱电平到+10dB高电平信号，B输入单元需要接入前置放大器。

低电平时，宽带运放A11，和A22工作，B1，B2，A1，A2依次饱和，可适应80dB范围的信号处理。

A2输入虽接有R5(15kΩ)电阻，但TL441的输入阻抗为500Ω，约得1／31(约-30dB)的分压，该级可处理最高输入电平信号。

图9采用TL441构成的宽带对数放大器电路
图10 TL441内部等效电路图
运放A11和A22的增益恰好需要30dB ，反馈电阻R2为：R2 =R1 (A -1)=3.06k Ω，故采用3 k Ω的半微调电位器，为了提高压缩精度，也可采用2.7k Ω+500Ω半微调电位器。

TL441有输出Y 与Y （反相）及Z 与Z （反相）二组。

合成)])Z Y (Z),Y [(++后分别加到A33的同相输入端与反相输入端进行加法运算。

另外，输出端总有输出接近+Vcc 的同相电压，因此，需要接人差动输入电平移动电路。

图11是压缩动态范围宽信号的高频对数放大器。

频率范围4MHz ，输入电平-14dB ，线性度士ldB ，动态范围40Db 。

TL592是宽带可变增益视频放大器。

图11是压缩动态范围宽信号的高频对数放大器
10.宽带功率放大器电路
图12是宽带功率放大器电路。

用于函数发生器输出或脉冲输出放大等。

整个电路为一反相放大器，由R2引入电压并联负反馈求和点a上的交流电压经由电容C2由宽带交流放大器放大。

被交流放大器放大的信号，其最低频率应是直流运放不能响应的频率，直流及很低的频率信号由直流运放反相放大，送人运放放大器同相端，总的频率特性是由电阻R2反馈的这两种放大信号合成的。

图12是宽带功率放大器电路
主放大器电路有差动输入端，运放输出送到同相端，从输出反馈到求和点的增益A为-R2 /Rl主放大器电路是全对称的推挽电路，如果不要求像运放那样的直流漂移，此电路也可单独使用。

各级工作点设定时保证宽带工作。

例如，VT1和VT2的集电极电阻设定较低(240Ω)，VT3和VT4的输出振幅相同，用加大集电极电流来提高转换速率，而不是在集电极基极间加相位补偿的方法，因为那样会使SR变坏。

为使高频频率特性平坦，各有关处增加相位补偿电路，C3用于调整主放大器的开环特性，Cl约lpF，用于调整阻尼振荡或超程。

CV1为半微调电容器，用于修正由于电路的输入电容引起灵敏度的下降。

运放A1为积分电路，增益A等于1时频率为160Hz。

四、设计
参考宽带放大器的原理说明设计一个满足技术要求的宽带放大器电路。

五、安装与调试
根据设计原理图进行制板并安装．在外观检查和通电检查无误后，才开始对电路进行调试。