低频低噪声高增益放大器

低频低噪声高增益放大器
摘要
本设计共由5个模块构成: 直流电源, 选频网络, 两级放大(次级可控)模块, CPLD 控制模块, 显示和键盘.
信号发生器选用自制正弦波发生器, 经过电路自身的正反馈自激产生正弦波. 其放大网络稳幅增益Af为3, 为使其容易起振, 起振增益应大于3, 所以采用二极管自动调整放大增益.
带通滤波器 (3kHz-5kHz)应选用窄带滤波器, 故采用了二阶电压控制有源滤波器. 此种滤波器的频响曲线很对称, 带宽很窄.
放大器分为两级, 前级增益固定为200; 后级从1-15倍可调. 原理都为由反比例放大电路. 后级放大器选通开关由继电器控制. CPLD供给其控制信号, 因其高电平为5V, 逻辑非门需求12V, 故二者之间采用耦合芯片TPL521-4 连接.
CPLD 将键盘数字(指示可控放大器的增益)选择信号译码, 送入可控放大器接口, 经过光耦和门逻辑, 进一步控制达林顿管的导通从而控制继电器的吸和, 同时经过显示译码送入数码管显示整体放大倍数.
人机接口共有2位拨码开关, 范围为1-15, 选定后产生脉冲送入CPLD译码. 数码管显示经CPLD译码驱动, 有两位数码管显示总放大倍数的千位和百位值.
一,方案论证与比较
1), 带通滤波器方案选择
方案1: 此方案(图1)是由纯电阻和电容组成的带通滤波网络, 本方案的优点是频率响应对称且中频4kHz可以满足(如图2所示), 但通频带较宽, 并且前后级相互影响较大, 故达不到题目的要求.
图1
图2
方案2:此方案是方案1的改进, 采用集成运放使前后级低通和高通网络隔开, 减弱其互相影响. 而且, 整体输入阻抗大幅度提高, 输出阻抗大幅度减小.但频响曲线对称性较差且通频带依然较宽.
图3
图4
方案3: 此方案采用电压控制式二阶带通滤波器(图5), 可以很精确的使通频带变窄为3kHz-5kHz. 且频响曲线对称, 中心频率恰好使4kHz(如图6所示). 故选择此方案.
图5
图6
2), 中频放大模块. 本题目的核心部分就是电压放大部分,采用何种电路形式以达到题目要求的性能指标, 是我们成功的关键.
a), 第一级放大器
本电路需要实现的是200到2000的高放大倍数，而一般的晶体管很难达到这一放大要求。

集成运算放大器实质上是一个具有高放大倍数的直接耦合放大器，又有高精密度,低噪声的特点，正符合此电路低噪声高放大倍数的要求，故我们选用反比例运算放大器。

其基本公式为：Avo=-Rf/R1, 电路图如下：
现要求此级电路实现增益200，而前级滤波电路有一定的放大或衰减作用，为了满足其整体增益200以及调试的可行性，反馈电阻取可变电阻。

b), 次级可控放大器
方案一, 由多路选通开关控制的放大单元
如下图所示, 此模块是由多路选通开关和电压串联负反馈放大电路组成. 输入为前级200倍放大电路, 选通控制信号由CPLD提供, 输出为需求信号.
放大原理亦为反比例放大器, 放大倍数Avf=-Rx/R, 经过2片8选1的多路选通开关, 使其放大倍数从1-15倍变化,步进为200. 4位选通信号A0A1A2A3来自CPLD, 由与其逻辑1电平(5V)不与选通开关4051(12V)兼容, 故二者之间使用耦合芯片TPL521-4调和.但本方案的缺点是多路选通开关的接通时压降比较大, 使电压放大倍数不准确.
图7
方案二, 鉴于以上缺点, 多路选通开关被更换为继电器, 原理亦是反比例放大器. 整体设计思路与方案一基本一致, 可选的反馈电阻由15个1K的精密电阻串联组成，通过继电器来控制阻值大小（控制接入反馈网络电阻个数），选择继电器的开关状态由CPLD输出来决定，
其他同方案一。

图8
3), CPLD控制模块
此模块是控制单元, 接受键盘输入, 并进行译码, 送入可控放大单元及显示管.
本模块可由单片机代替(成本较小), 基本步骤为a),由并行口或串口接受开关状态; b),经过查表译码并输入可控放大单元和显示器.
但CPLD与单片机相比具有编程简单, 硬件规模较小, 硬件离散性较小等优点, 故采用CPLD.
4), 键盘与显示模块
此模块应提供良好的人机接口. 首先由两位拨码开关选择放大倍数, 从200-3000可调. 同时两位数码管显示放大倍数的高两位(低两位恒为00), 同时输入信号可选择为内置信号或外置信号.
5), 整体联接模块
二,理论设计与参数计算
1, 带通滤波器(图5)
a), 选电容为470pF, 根据中心频率48kHz 和公式f=1/2πRC,得R=83kΩ.故R1=R3=83Ω,R2=2R=166Ω.
b), 通频带BW=2kHz, 故Q=f/BW=2, Q=1/(3-Avf), Avf=1+R5/R4, 得
R5/R4=3/2, 选R5为30kΩ, R4为20kΩ.
c), 集成运放选用低噪声的OP37
信号(滤波前) 信号(滤波后)
如上图所示, 当方波经过带通滤波器后, 其高频成分被滤掉, 只剩频率3kHz-5kHz成分, 故近似为正弦波.
2, CPLD的编程
由CPLD芯片直接输出A0、A1、A2……A13、A14共14位选择数据，通过14位接口到第二级放大的可调反馈电阻的4块TLP521-4芯片信号输入端。

(如图8所示) 其具体控制继电器开关真值表如下：
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11A12 A13 选择电阻放大倍数
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 15K
14K
13K
12K
11K
10K
9K
8K
7K
6K
5K
4K
3K
2K
1K 3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
下为具体程序
TABLE
IN4,IN3,IN2,IN1,IN0 => SEG1[6..0],SEG2[6..0],OUT[13..0];
1 ,1 , 1, 1, 1 => B"0000001",B"0010010",B"11111111111110";
1 ,1 , 1, 1, 0 => B"0000001",B"0010010",B"11111111111110";
1 ,1 , 1, 0, 1 => B"0000001",B"1001100",B"11111111111101";
1 ,1 , 1, 0, 0 => B"0000001",B"0100000",B"11111111111011";
1 ,1 , 0, 1, 1 => B"0000001",B"0000000",B"11111111110111";
1 ,1 , 0, 1, 0 => B"1001111",B"0000001",B"11111111101111";
1 ,1 , 0, 0, 1 => B"1001111",B"0010010",B"11111111011111";
1 ,1 , 0, 0, 0 => B"1001111",B"1001100",B"11111110111111";
1 ,0 , 1, 1, 1 => B"1001111",B"0100000",B"11111101111111";
1 ,0 , 1, 1, 0 => B"1001111",B"0000000",B"11111011111111";
0 ,1 , 1, 1, 1 => B"0010010",B"0000001",B"11110111111111";
0 ,1 , 1, 1, 0 => B"0010010",B"0010010",B"11101111111111";
0 ,X , 1, 0, 1 => B"0010010",B"1001100",B"11011111111111";
0 ,X , 1, 0, 0 => B"0010010",B"0100000",B"10111111111111";
0 ,X , 0, 1, 1 => B"0010010",B"0000000",B"01111111111111";
0 ,X , 0, 1, 0 => B"0000110",B"0000001",B"11111111111111";
0 ,X , 0, 0, 1 => B"0000001",B"0010010",B"11111111111110";
0 ,X , 0, 0, 0 => B"0000001",B"0010010",B"11111111111110"; END TABLE;
END;
三, 使用仪器和测试数据
TDS 2012型数字示波器 DT9205型数字式万用表
GPS 2303型稳压源 EE1641D型函数信号发生器 GOS-620型模拟示波器 PC机 ALERA辅助开发板实验数据
当输入电压均为5mV时:
放大倍数输出电压(V)
200 3.10
400 6.12
600 9.10
800 12.50
1000 14.00
1200 16.12
1400 18.10
1600 19.20
1800 22.10
2000 24.20
四, 结束语
对于本系统设计, 有些指标还有待于进一步提高. 例如, 在小信号输入时, 噪声相对较大. 另外, 最大输出不失真电压方面还有较大潜力可挖, 这些都有待于我们通过电路的改进和对元器件的最佳选择来进一步完善.
主要介绍了C波段高增益低噪声单片放大器的设计方法和电路研制结果。

电路设计基于Agilent ADS微波设计环境,采用GaAs PHEMT工艺技术实现。

为了消除C波段低噪声放大器设计中在低频端产生的振荡,提出了在第三级PHEMT管的栅极和地之间放置RLC并联再串联电阻吸收网络的方法,降低了带外低频端的高增益,从而消除了多级级联低噪声放大器电路中由于低频端增益过高产生的振荡。

通过电路设计与版图电磁验证相结合的方法,使本产品一次设计成功。

本单片采用三级放大,工作频率为5～6GHz,噪声系数小于1.15dB,增益大于40dB,输入输出驻波比小于1.4∶1,增益平坦度ΔGp≤±0.2dB,1dB压缩点P-1≥10dBm,直流电流小于90mA。