高频宽带放大器的设计-通信工程专业毕业设计-毕业论文.doc

JIU JIANG UNIVERSITY

毕 业 论 文（设 计）

题 目 高频宽带放大器的设计
英文题目 Design of a Wide-Band
Frequency Amplifier

院 系 电子工程学院
专 业 通信工程
姓 名
年 级
指导教师

二零零七年六月

毕业论文（设计）《选题报告》
院（系）：电子工程学院
学 生 姓 名

论文（设计）题目
高频宽带放大器的设计
题目
来源
及
意义
本题来源于全国电子设计竞赛，低噪声宽带放大器。随着现代通讯工作频带的总体上移, 射频放大器将成为模拟放大器的主流。由系统天线馈入的无线信号, 在处理之前必须进行信号放大。低噪声宽带放大器(LNA ) 就是其中非常重要的部件。
论文
题目
研究
领域
状况
国内从事硅工艺低噪声放大器开发的单位主要以中电科技集团公司第二十四研究所和航天771 所为主。产品带宽一般在500MHz 范围以内。近年来,已研制出带宽810 GHz、GP 10 dB 的LNA 样品；开发出带宽116～118 GHz、GP20～30dB 的LNA 产品。
总的趋势是向着低噪声、高频宽带、多功能的方向发展。
内容
提要
或
实施
方案
实施方案为：
用高频特性好的运放及其外围电路组成电压负反馈宽带放大器，框图如下所示：

主要观点
或
主要
技术
指标
1． 放大器在3dB通频带满足10kHz～4MHz的带宽；
2． 放大器在10kHz～4MHz频带内增益起伏1dB，具有平滑的频率特性；
3． 输出信号具有较有较好的稳定性；
4． 在通频带范围内其增益具有多级可调的功能。
主要
参考
文献
[1] 刘勇.宽带功率放大器技术性能研究.无线电通信技术,2002年,第3期:42-46
[2] 王国伟.宽带放大器的设计.甘肃科技纵横,2004年,第5期:59-60
[3] 王正齐.宽带放大器.电子世界,2004年,第1期:35-38
[4] 赵建领.Protel电路设计与制版宝典,北京:电子工业出版社,2007.1.P218-219
[5] 袁维义.电工技能实训,北京:电子工业出版社,2003.11.P36-40

20

摘 要
设计并制作了一个宽带放大器，该放大器由高精度，宽频带运放OP37组成，其高频特性好，转换速度为。由于OP37的频带宽度可达63MHz，通过对外电路元件参数选择，可使放大器3dB通频带满足10kHz～4MHz的设计要求，在反馈网络并联适当大小的电容，消除高频脉冲尖峰，可使放大器在10kHz～4MHz频带内增益起伏<=1dB，从而获得平滑的频率特性，通过改变负反馈电阻，使放大器的增益多级可调。

【关键词】宽带运算放大器，频带特性，增益
Abstract
This chapter is introduces of design and make a wide-band frequency amplifier. This amplifier is made up of operational amplifier OP37, Which is high accuracy, provides slew rate and 63 MHz gain-bandwidth. Through choice the outside electric circuit components, it will achieve the design request BW0.7 between 10kHz～4MHz. Parallel suitable size capacitor in the feedback network, will eliminate the high frequency pulse peak, make the amplifier frequency band fluctuation to increases less than 1dB between 10kHz～4MHz. Thus obtains the smooth frequency characteristic, through change the negative feedback resistance, causes the amplifier the gain several levels to be possible to move。

【Key-word】 Wide band operational amplifier，frequency band characteristic，gain
目 录
前 言 1
第一章 设计思路与原理方框图 2
1.1系统问题的提出 2
1.2方案论证与比较 2
第二章 主要电路的设计与计算 5
2.1电源电路的设计 5
2.2宽带放大器的设计 6
第三章 系统调试与测试结果 9
3.1测试方法 9
3.2输入阻抗 9
3.3通频带 9
3.4增益的步进值 9
3.5最大输出电压 10
3.6最大增益 10
3.7测试分析 10
第四章 抗干扰措施 11
4.1电源线设计 11
4.2地线的设计 11
4.3耦合电容配置 11
4.4元件之间的连线 11
附录一 OP37的芯片管脚图及其原理图 12
附录二 系统硬件PCB原理图 13
附录三 系统硬件PCB图 14
附录四 系统硬件3D效果图 15
总 结 18
参考文献 19
致 谢 20
前 言
发射机和接收机是现代通信系统的核心部件，是为了使基带信号在信道中有效和可靠地传输而设置的。以无线广播调幅发射机为例，信号发射前需经高频功率放大器进行放大，使输出的功率达到额定的发射功率，再经发射天线辐射出去。接收信号时接收天线将接收到的电磁波转换为已调电流，从已调波电流中选择出所需的信号经高频功率放大器放大后进行解调，分离出所要传输的信息。
高频功率放大器是发射高频信号及接收高频信号所需的必备器件。然目前的高频功率放大器的频带增益较单一，不能实现多级可调，通常特定的高频功率放大器只能使用在特定的环境中。
本文章将介绍一种高频宽带放大器的工作原理及实现方法，该放大器由运放OP37组成，运放OP37具有精度高、频带宽、高频特性好及转换速度快等特点。通过对外电路元件参数选择，可使放大器在满足一定频带增益的条件下实现多级可调的功能。
为了将理论和实践结合在一起，文章会先介绍该放大器的设计思路及工作原理，稍后介绍放大器电路的设计和相关计算，最后是电路设计完后的电路系统测试及其测试结果，加上总结共四部分。这样从理论到实践，再从实践到结果，系统性将该高频宽带放大器作一个介绍。
第一章 设计思路与原理方框图
本章将对放大器的应用进行分析，并给出它的特点，实现的功能以及系统的简单操作，以及对芯片OP37及放大器具系统的了解。
1.1系统问题的提出
高频功率放大器是发射高频信号及接收高频信号所需的必备器件。然目前的高频功率放大器的频带增益较单一，不能实现多级可调，通常特定的高频功率放大器只能使用在特定的环境中。 由于在信号处理中，宽带放大器是其中非常重要的部件，有必要设计一个低噪声、调频宽带、多功能的宽带放大器，使其能满足现代信息处理对高频宽带放大器的多放面的需求。
该放大器由运放OP37组成，该运放OP37具有精度高、频带宽、高频特性好及转换速度快等特点，通过对外电路元件参数选择，可使放大器在3dB处通频带为10kHz～4MHz。在反馈网络并联适当大小的电容，消除高频脉冲尖峰，可使放大器在10kHz～4MHz频带内增益起伏1dB，从而获得平滑的频率特性，通过改变负反馈电阻，使放大器的增益多级可调。
1.2方案论证与比较
1.2.1宽带放大器
方案一：用两个SLJ550串联构成一个宽带高增益放大器，第一级按共发射级电路连接，第二级接成共基级电路。适当选择电阻、电容，可以获得65dB的稳定增益。宽带为5MHz～130MHz，由单级电路确定的噪声特性，仅在边界部分大于2.0 dB，但此方案的下限频率较高，若使其下限频率减小到10kHz，在电路中需增大有关电容的值，使高频特性变差。另外，该电路实现步进间隔为6dB的增益调节不方便，同时市面上买不到SLJ550集成运放。
方案二：由两个BFT65构成的宽带放大器装在一块5050mm的铜涂层板上，如图1-1所示。在噪声系数为5dB时放大量为20dB，在交叉调制衰减60dB时输出电压为130mV。第一级晶体管T1的集电流为8mA，第二级T2的集电极电流为20mA. Dr1、Dr2均为2匝，0.25mm铜线,穿孔磁芯L1、L2: R2、R6的导线引线, 各在2.5mm芯杆上绕3匝。
主要技术数据：
工作电压: =12V
工作电流: =28mA

图1-1
放大系数(1～1000MHz, RG=RL=60Ω时): >20dB
噪声系数(1～1000MHz, RG=RL=60Ω时): F<5dB
驻波比(1～1000MHz, RG=RL=60Ω时): =130mA
在高频状态下工作的晶体管有以下特点：由于制造工艺的原因，在高频工作状态下晶体管的β值不能做得很高，工作频率每增加一倍，β值就减少6dB。在高频状态下管子的引线电感不可忽略，它对放大器工作频段的高端增益有严重的影响。晶体管的输出电容（结电容）在高频状态下也是一个不可忽略的参数，它对放大器工作频段的高端增益也具有严重的影响。
此电路增益步进控制难以实现，高频时频率的稳定性不好，高颇管BFT65不容易买到，而且电感线圈L1和L2在高频条件下比较难调试。
方案三：用高频特性好的运放OP37及其外围电路组成电压负反馈宽带放大器，如图1-2所示。电路中，通过多刀开关S，选择反馈电阻，以实现增益值多级可调，在每个反馈电阻中并联补偿电容，用于清除高频脉冲尖峰，从而获得在整个频带内增益起伏小于1dB的平滑的频率特性。该电路输入阻抗大于1千欧，单端输入，单端输出，满足设计要求。

图1-2
经比较，方案三满足题目设计要求，电路又不太繁琐，成本又不高，所以采用该方案。
1.2.2稳压电源
方案一：采用分离元件的串联型稳压电源，其框图如图1-3所示。

图1-3
该电路复杂，且电源的稳定度不够高，制作费材，费时。
方案二：用三端稳压器LM7815，LM7915分别产生稳定的±15V电源，如图2-1所示。用78/79系列三端稳压IC来组成的稳压电源所需外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该电源电路电源对称性好，稳定度高，可以作为宽带放大器的电源。
通过比较，方案二电路简单，电源稳定，所以本设计采用方案二。
第二章 主要电路的设计与计算
为使放大器系统装置能够具有更好的实用性，并且具有更高的性能，我们对该系统的硬件进行精心的设计。
该系统的硬件设计按功能来分，可分为两个部分。其中OP37是整个电路的核心芯片，通过对不同反馈电阻的选择即可实现对放大器增益多级可调。系统的另一部分为电源部分。
2.1电源电路的设计
对于高频信号来说，输入电源的电压波纹会影响到信号的输出效果。鉴于高频宽带放大器对电源的高要求，所以需要为放大器配置一个电源电路，使其能为高频宽带放大提供较稳定的电压。
电源设计电路如图2-1所示。

图2-1
该电路由三端稳压器LM7815、LM7915组成。从输入端输入15V由交流电转换来的直流电源，经过三端稳压器LM7815、LM7915进一步稳压，分别产生稳定的±15V电源，如图2-1所示。该电源电路电源对称性好，稳定度高，可以作为宽带放大器的电源。
直流稳压电源，设计要求当单相220V交流电压供电时，交流电压变化范围为-10％～+10％仍能正常工作，计算滤波电容值时，应考虑整流二极管、LM7815、LM7915的最小压降。
输出±15V时，设计输出电流至少达到500mA。
在0.01s内电压变化为

其中，U＝18.75V（变压器输出交流电压），0.7V为二极管压降，为7815、7915的最小压降。一般三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为2V，否则不能输出稳定的电压，一般应使电压差保持在4V～5V，即经变压器变压，二极管整流，电容器滤波后的电压应比稳压值高一些。设计取C＝3300，足以满足需要。
另外，为了消除高频杂散信号对电源的干扰，在7815(7915)的输入端，输出端各并联0.1的电容。
2.2宽带放大器的设计
2.2.1 选择运算放大器
本设计要求宽带放大器的频带宽度为10kHz～4MHz，为了满足设计要求，必须选择特征频率高的运放。OP37集成运放的参数如下：
Low Noise，80n(0.1Hz to 10Hz) 3nv/ ＠ 1
Low Drift，0.2/
High Speed， Slow Rate
63MHz Gain Bandwidth
Low Input Offset Voltage，10
Excellent CMRR，126dB(Common –Voltage ＠ l1V)
High Open–Loop Gain，1.8 Million
Available in Die Form．
由此可知该运放OP37具有精度高、频带宽、高频特性好及转换速度快等特点， 符合电路的要求。
2.2.2 电路图及元件选择
由OP37组成的宽带放大器，如图2-2所示。

图2-2
图2-2中，C4、Cl1、C5、C12组成频率补偿电路。C4、C11、C5、C12的大小由低频截止频率决定，其容量：

若取，
则
所以电容C取100的铝电解电容，由于电容C的加入会使高频阻抗上升，可在其两端各并联一个0.1的陶瓷电容对阻抗进行修正。
W1为的调零电阻。
C17、C18为10的电源退耦电容，使运放电源稳定。
R1～R6为电压负反馈电阻，通过开光S1选择R1～R6可改变放大器的增益。
R10为100限流电阻。
2.2.3 输入电阻，输出电阻及增益
图2-2所示电路的输入电阻为：

为OP37输入电阻,当输出对地短路时，运放通过R10接地，此时放大器的输出对地为100Ω，正常工作时，输出电阻为：。
放大器的增益为：
(=l，2，…… ，6)
当时，。
当时，。
当时，。
当时，。
当时，。
当时，。

第三章 系统调试与测试结果
前面我们分析了系统电路的工作原理及相关的公式计算，现在我们对系统实物电路进行检测来分析电路的工作特性。
31测试方法
按照电路原理图，正确连接电路电源线，+15V接电源的+15V，-15V接电源的-15V，GND接GND，接上电源后通电。
高频信号的输出端接信号线的输入端，用示波器测输入信号的峰峰值，记为.测输出信号的峰峰值记为。则放大器的放大倍数为。
调节调零电阻W1使放大器处于正常工作状态。
3.2输入阻抗
由图2-2可知，放大器输入端对地有1.2的硬匹配电阻，由于运放的输入阻抗远大于1.2所以信号输入时能保证放大器的输入阻抗大于1。
3.3通频带
放大器的输出电阻为100，反馈电阻为3，输入电压=8mv的正弦波。当改变输入信号频率时，测得放大器的输出幅频特性如表3-1所示。

表3-1 放大器的幅频特性
输入频率（KHz）
10
20
50
60
70
输出电压（mV）
21
21
21
21
21
输入频率（MHz）
0.08
0.3
0.5
1
1.5
输出电压(mV)
21
21
21
20
20
输入频率（MHz）
1.8
2
2.5
3
3.5
输出电压(mV)
19
12.5
11
9
4.5
由表3-1可以看出，放大器的上限频率为2.5MHZ左右。
3.4增益的步进值
输入频率= 10KHZ，=8mV的正弦信号。手动改变换档开关S1的位置，使
放大器接不同的负反馈电阻，得表3-2所示的增益步进值。
表3-2 增益的步进值
增益步进值
1
2
3
4
反馈电阻（）
3
12
48
96
预置增益（倍）
2.6
5.1
19.7
82.5
预置增益(dB)
8.3
14.1
25.9
38.3
由表3-2可得，放大器的增益范围为2.6倍～82.5倍，约8.3dB～38.3dB。
3.5最大输出电压
输入频率=10KHZ，输入电压=8mV的正弦信号，测得放大器在此条件下输出电压峰峰值=0.66V。
3.6最大增益
由最大输出电压结果得，放大器的最大电压增益为

3.7测试分析
由实验测出的数据与理论的数据存在一定的误差，经分析产生误差的因素主要有以下几点：
（1） 电路中的实际电阻阻值与理论计算的电阻阻值存在一定的误差；
（2） 由于试验场地有许多电脑和仪器，使用开关电源，电磁噪声很大；
（3） 由于电源是由交流电转换过来的，输入电源被反馈到输入信号端使得输出的信号有微小的波动；
（4） 元件分布影响信号的输出特性。
此电路具有六级可调的功能，由于受开关的限制，此设计只做到四级可调。从测试结果来看，当反馈电阻为3，输入电压=8mv的正弦波时，放大器的上限频率可达3MHz。调节开关选择不同的反馈电阻可得放大器的放大总数范围为约3倍～83倍，转换成增益为8.3dB～38.3dB。输入频率=10KHZ，输入电压峰峰值=8mV的正弦信号时的最大输出电压峰峰值为0.66V。
从电路的测试数据可知，该放大器在3MHz内时具有良好的增益性能。由于作者的水平有限，该电路的设计存在一定程度的缺陷，该放大器的带宽有限。
第四章 抗干扰措施
系统总的增益为2dB～40dB，因此抗干扰措施必须要做得很好才能避免自激和减少噪声。我们采用下述方法减少干扰，避免自激。
4.1电源线设计
根据印制电路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。
4.2地线的设计
高频电路中采用多点串联接地，地线就短而粗，接地线应在2mm～3mm以上。高频元器件周围尽量用栅格状的大面积铜箔。接地线构成闭环路，可吸收高频信号减少噪声。
4.3耦合电容配置
所有信号耦合用电解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频增益下降。电容引线不能太长，尤其是高频旁电容不能有引线。
4.4元件之间的连线
强电流引线应尽可能宽些，以降低布线电阻及其电压降，也可减小因寄生耦合面产生的自激。
在对进出接线端布置时，使相关联的两引线端的距离不太大，一般为0.2～0.3in较合适。进出接线端尽可能集中在1～2个侧面，不要过于分散。在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求合理走线，并按一定顺序要求走线，力求直观，便于安装和检修。
附录一 OP37的芯片管脚图及其原理图
图一 OP37GP芯片管脚图

图二 OP37芯片工作原理简图

附录二 系统硬件PCB原理图

附录三 系统硬件PCB图

附录四 系统硬件3D效果图

图1 PCB板3D效果图

图2 PCB板正面

图3 PCB板反面
总 结
本设计是主要采用了芯片来进行宽带放大器的制作，因其具有高精度、频带宽、高频特性好等特点，设计放大器时所使用的元器件也简洁。所以此设计是一个值得推广的一种方法。
在设计本作品时，我通过查阅网络与图书馆搜集到的资料，再加上樊红社老师的精心指导与资料提供，把课堂上学习的知识用于实践工作中，设计出了这一高频放大器的主要硬件结构，基本完成了课题的要求，但是由于设计的理论基础尚浅，对课题的研究经验还不成熟，使得在技术的解决与运用上显得粗糙了一些，在某些技术关键上的叙述不能达到详细、精辟。但是这个系统的设计却不缺乏自己的特点和创新点，可归结为如下几点：该设计采用的元件较少，操作方便；使用维护方面也很便利，易于掌握；体积小，放大信号稳定性好。
本设计主要是模拟电路处理，得到了很高的增益和较小的噪声。由于考虑信号的稳定性及高频信号的特性问题，系统的核心部件使用了集成芯片OP37，设计很灵活也很容易实现，实现了信息的高精度、快速处理和输出功能。该系统的应用有助于减轻工作人员的劳动强度，提高安全性、准确性和工作效率。由于本人的水平有限，设计当中，难免会有不少的缺点和不足之处，恳请教导批评并改正。
参考文献
[1] 刘勇.宽带功率放大器技术性能研究.无线电通信技术,2002年,第3期:42-46
[2] 王国伟.宽带放大器的设计.甘肃科技纵横,2004年,第5期:59-60
[3] 王正齐.宽带放大器.电子世界,2004年,第1期:35-38
[4] 赵建领.Protel电路设计与制版宝典,北京:电子工业出版社,2007.1.P218-219
[5] 袁维义.电工技能实训,北京:电子工业出版社,2003.11.P36-40
[6] ANALOG DEVICES .Low Noise, Precision, High Speed Operational Amplifier()
致 谢
在大学的这些日子，本人得到院领导和专业老师对我的帮助，尤其是最后一个学期里，樊红社老师给我的谆谆教诲。在学院我学会了基本电路及常用芯片的工作原理以及电路的设计，以及有关通信方面的基础理论知识等等，使自己多年来所学的理论知识和实践做到有机的组合，进一步深化巩固自己的理论知识。
同时也让我深深体味到通信行业是一种更新很快的行业，要想跟上时代，就得自我不断的努力，只靠在学校所学的东西是远远不够的，所以必须在以后的工作的中不断的学习，打下坚定的基础。
在此，我表示衷心的感谢，尤其是樊红社老师对我的关心和帮助，这次毕业设计能圆满的成功，多是得于指导老师的细心指导和详细的批改。他无论在理论上还是实践中都给予我有很大的帮助，使我得到不少的提高，这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。
除此之外，在这次毕业设计中，此外我还得到很多同学的不少帮助，解决了不少的难题。在此，我由衷的感谢他们对我的帮助。