宽带低噪声放大器设计毕业设计.doc

学号本科毕业设计学 院 专 业 年 级 姓 名 设计题目 宽带低噪声放大器设计 指导教师 职称 *年 * 月 * 日目 录摘要1Abstract.11概述12低噪声放大器设计的原理22.1噪声系数22.2低噪声放大器的功率增益以及分配电压增益22.3端口驻波比32.4工作带宽与增益平坦度32.5动态范围以及压缩点42.6三阶截断点42.7低噪声放大器的稳定性43器件的选择53.1放大器的选择53.2放大器的介绍53.3电源的供电53.4选用器件的介绍54模拟电路设计64.1方案选择64.2模拟电路设计64.3电源电路75电路的调试85.1调试过程85.2测试结果85.3系统的改进措施116总结11参考文献12宽带低噪声放大器设计学生姓名：* 学号：* 学 院： 专业： 指导老师： 职称：摘 要：本文介绍了一个15V单电源供电的低噪声放大器设计，设计采用三级级联的方式。该系统主要是宽带低噪声放大器，为了满足要求，采用了高速运算放大器a741作为前两级放大，末级用CA3140作为功率放大电路。测试结果表明，放大倍数为100倍，带宽有1MHz。 关键词：a741；放大器；带宽；噪声系数The design of the low noise amplifier with broadband Abstract: This article describes the design of a single 15V power supply and low noise amplifier. The system has three amplifier consisted ofa741 and CA3140, which meet the requirements of broadband and low noise. Test results show that a amplifier with bandwidth 1MHz is 100 times. Keywords: a741；amplifier；Bandwidth；noise figure1概述我们知道低噪声放大器是射频电路的重要组成部分，并且在有源滤波器等电子电路当中宽带低噪声放大器起着重要作用。而且在射频微波电路当中，放大器也起着重要作用，它的好坏直接决定了射频微波电路的功能的实现，具有很重要的现实意义，所以在制做低噪声放大器的时候我们要注意它的各项指标是否能够达标。除此之外，我们知道随着社会的发展，以及各项科学技术的发展，对通信带宽的要求也越来越宽因此各种通信设备在宽频带上的工作要求不再是以前的一个或者几个频点。由于我国对放大器设计的技术相对来说还不算很先进，所以更需要后起之秀对放大器设计进行进一步的探索和研究。随着时代的发展，人们对通信质量的要求也更高，其中包括要使工作频率更高、工作频率更宽以及噪声系数更小，这已经成为各项科学技术设备发展的趋势。本文介绍了一种比较简单易行的宽带低噪声放大器设计方法。本设计利用具有低噪声，高速运算的放大器a741，以及DC-DC交换器TPS61087DCR作为此宽带的噪声放大器设计的核心。希望这个系统能够实现通频带为10MHz,电压增益为40dB，负载为50欧姆时，所输出电压峰峰值是12V等等这些指标。此方法在设计过程中容易实现，并且所需成本比较低，对设计宽带低噪声放大器可谓是一种不错的方法。2低噪声放大器设计的原理2.1噪声系数在射频微波系统当中，噪声不仅包括外部环境所产生的噪声也包括电路自身产生的噪声两个部分。放大器的噪声系数可用NF来表示，它的定义式如（2-3）所示。 （2-1） （2-2） （2-3）其中，输入端口的信号功率用表示，输入噪声功率用表示；输出端口的信号功率用表示，输出噪声功率用表示。信号功率与噪声功率的比值也就是放大器的信噪比，噪声系数也就是输入信噪比与输出信噪比的比值。上面式子的物理意义就是：如果信号通过放大器之后，因为存在噪声就会得到不同的信噪比，从而信噪比就会下降，下降的倍数就是噪声系数。2.2低噪声放大器的功率增益以及分配电压增益功率增益是本设计的一个重要指标。其中在很多设计当中每一步都有很多种对功率增益的定义，而且每一种定义都会给出关于放大器性能的一些信息，每次设计都可以根据不同的指标设计出合适的放大器类型。一般情况下的定义以及使用的定义有三种功率增益：一种是工作功率增益即G=，此式子表示传送到负载的功率与传到二端口网络的输入端的功率的比值。另一种是可用功率增益即G=，此式子表示二端口网络的可用功率与源的可用功率的比所得到的结果。最后一种是转换功率增益即G=，此式子表示传送到负载的功率比上来自源的可用功率所得的结果。这些都是对增益的度量，对计算具有更好的计算结果。对于多级放大电路的分配电压增益，它的上限频率与组成它的各级放大级上的上限频率之间存在一定的近似关系，这个近似关系如下所示：若将两个相同的频率特性信号输入放大器，其中每一级的上限频率是fh1，那么两级放大电路的总的上限频率是fh=0.64fh1；如果将三个相同的频率特性的放大级组成放大电路，其中每一级的上限频率是fh1，那么三级放大电路总的放大频率上限是fh=0.5fh1。所以要想使级联时不会有太多的频率衰竭，就必须要合理的调整各级的放大倍数。在此实验中，在最佳的环境下通过调节单运放ua741放大电路，在放大通道的正弦信号输入电压幅度为5-200mV，带宽为50-10000Hz。2.3端口驻波比放大器的输入端口和输出端口与系统特性阻抗的匹配程度由这两个端口的电压驻波比公式如下：VSWR= （2-4）微波低噪声放大器通常情况下采用50欧姆作为特性阻抗。由（2-4）式可以知道，端口驻波比总是大于等于1的，当T=0，也就是当零反射时，VSWR最小为1，此时端口的匹配是最好的。低噪声放大器具有两个重要指标，即噪声系数和功率增益。一个是在输入端口按照最佳噪声来设计的，另一个是在输出端口功率的最大来设计的，这两者是会互相影响的，其结果也必然会导致驻波比不会在最佳的共轭匹配点上，或者噪声匹配不会在最佳点上，所以低噪声放大器设计经常是在噪声系数与驻波比也就是说功率增益间的权衡。2.4工作带宽与增益平坦度对于理想的微波低噪声放大器我们希望在工作频带内具有相等的增益以及较好的输入匹配和较小的噪声系数。我们在前面说过，共轭匹配只能在相对较窄的带宽上给出最大的增益，然而对于最大的增益来说它的设计将提高增益的带宽，不过放大器的输入以及输出匹配就会变得很差，这些问题主要是由于典型的微波晶体管和50欧姆特性阻抗是不好匹配的，因此要想拓宽带宽就必须以降低增益为代价来进行。增益平坦度的定义是指在给定的带宽范围内的增益的最大值减去最小值，也就是说这个范围内值的差，这以分贝来衡量。2.5动态范围以及压缩点低噪声放大器输入信号要求的最小功率和最大功率的最大功率范围就是宽带低噪声放大器的输入信号动态范围。这些定义也就是说当某一个信号通过放大器的时候，如果功率比较小的时候，那么放大器的噪声就会把它覆盖，这样将得不到输出信号；如果信号的功率过大的时候，当它大于放大器的线性指标的时候，放大器就不会将继续线性的放大信号，而是会有下降到饱和的趋势，这个时候输出信号就会失真。如果能够看到压缩点从理论上的并且比较理想状态的输出功率特性曲线上下降了1dB压缩点，那么这个下降到1dB的功率电平所得到的结果就是1dB压缩点，这样做的目的是为了定量规定一个放大器的动态范围，这个定义与所要讲的三阶截断点都是评判一个放大器非线性特性的重要的参考依据。2.6三阶截断点通常可以用1dB压缩点和三阶互调截点这两个指标来衡量放大器非线性特性。当两个频率相近的信号f1以及f2同时一起输入到放大器的时候，因为放大器的非线性特性，将会产生许多组合的频率分量，在这些分量当中，2f1-f2和2f2-f1是其中最接近基频信号的，从而会落到通频带内以至于很难消除，进而会引起输出信号的失真。例如，当f1=1KHz,f2=1.2KHz,则经过计算可得2f1-f2=0.2KHz，2f2-f1=0.4KHz。当三阶互调功率同和基波功率相等时的点就是三阶截断点。通常情况下三阶截断点P3要比1dB压缩点P1大12-15dB。2.7低噪声放大器的稳定性在低噪声放大器设计的重要特性当中，稳定性是它的重要特性之一，如果低噪声放大器电路的性能不够稳定时就会产生振荡。通常情况下这不是一个在恒定的振幅和恒定的频率下的恒定的振荡，事实上是一个混乱的响应，而振荡器的设计当然也不是简单的设计一个不稳定的放大器。我们知道没有一个简单的度量可以来表示一个放大器是不是稳定的。既然稳定的条件是复杂的，但是如果我们考虑在无论多少负载以及输出网络匹配的情况下，输入端它都是稳定的；同理，无论源以及输入网络的匹配情况是多少的情况下，输出端也都是稳定的。自激振荡对于我们了解放大器的稳定性具有重要作用。由于信号在通过反馈回路以及运放的过程中产生附加相移从而产生自激振荡。这个附加相移包括高频段产生的也包括低频段产生的，我们分别用1，2表示。当输入某一个信号为频率fo，在这里使12=n,在这里n为奇数，反馈量会使输入量增大，此时电路会产生正反馈。对于电压反馈型ua741我们要人为地加入电阻电容，他们就会在fo处产生附加相移3，如果32n（n为奇数），那么自激振荡就会消失。3器件的选择3.1放大器的选择 在此我们选用高速运算放大器a741作为前两级放大电路，ca3140作为最后一级放大电路。3.2放大器的介绍 高速运算放大器a741是一款低噪声作为增益放大器，电压负反馈的运算，其输入噪声为,其宽带为240MHz，输出电流能够达到110mA。对于ca3140放大电路，它是一款高速宽带放大器，作为功率放大器，其输入噪声为，其通频带从0到210MHz，并且可以提供电流的输出。3.3电源的供电 本设计采用单电源供电，用这种方式进行输入，不需要加入直流输入的成份，此供电电源的静态工作电压是在0V，因此电压的动态范围非常大，比较接近电源。 本设计的总体设计图如下： 输入Via741前级放大a741中级放大CA3140末级放大输出VoTPS6108715VDC-DC交换器 图1系统设计框图3.4选用器件的介绍 (1) a741是单运放放大器，也属于双电源供电电路，但也可以用于单电源供电，那么此时将要求将集成运放组成的交流放大器设计成单电源供电方式。 (2)ca3140是高精度低失调电压的精密运放集成电路，用于微弱信号的放大，如果使用双电源，能达到最好的放大效果,但也可以用于单电源供电。 (3)TPS61087具有强制PWM模式的18.5V、3.2A、652KHZ1.2MHZ升压的DC-DC转换器。 (4)L7805是我们常用到的稳压芯片，使用方便，用很简单的电路即可输入一个直流稳压电源，它的输出恰好是5V。4模拟电路设计4.1方案选择方案一：为了能够实现至少为40dB的增益调节，也可以使用DA高速乘法器型来实现。可以使用转换器DA的数字量的输入端控制传输衰减来实现增益的控制。这个方案可以说是简单易行并且精确度较高。但是通过实验可以知道它转化非线性误差比较大，并且宽带只有几千赫兹，同时当信号的频率较高时，系统较容易发生自激，所以此方案不宜选择。方案二：若采用分立元件，那么此方案就会使元器件成本降低，但是不宜实现，并且周期很长，尤其是在时间较短的情况下手工制作就会很难保证结果的可靠性以及达到相应的指标，所以不能够采用这个方案。方案三：本方案采用三级级联的方式，并且对每一放大级都提供15V的单电源供电。同时在每一放大级上都采用负反馈的方式进行。在本实验中我们应用ua741作为前两级放大电路，反馈电阻的选择决定了前两级都为5倍放大，最后一级我们采用的核心元件为ca3140，负反馈接滑动变阻器，最终可使最后一级放大倍数为4倍放大。在这个宽带低噪声放大器设计中要求的带宽为1MHz，最终放大倍数为100倍，电压增益为40dB。那么这基本上是能够满足题目的要求的，并且这个方案的方法简单易行，系统过程实行起来也较简单,可采用。4.2模拟电路设计图2三级放大电路的通频带 通过进一步的设计和理论分析，又通过在软件上的仿真可以得到初步的结果。所得仿真结果如图1所示4.3电源电路本设计需要一个15V的单电源。在这里介绍了5V和15V电源电路设计如图2，图3所示。图3 电源电路图（5V） 为了得到10V的电压峰峰值的输出，在这里我们使用DC-DC变化器TPS61087DRC可以将+5V的电压转换为+15V，通过这样可以为末级放大电路提供电压。电路如图3所示：图4 电源电路图（15V）4.4放大电路 对于放大电路的设计这里采用a741作为前两级放大电路，op07作为此放大电路的最后一级放大电路。在这个放大电路当中对于末级放大电路可以通过两个可调电阻来控制放大倍数并且保证输出信号不失真。放大电路如下图4所示：图5三级放大电路 在一级放大电路中，我们的输入信号为电压峰峰值为2.00mV的正弦信号，对三级放大电路采用15V的单电源供电，一级的输出信号可以在示波器上显示，通过调节输入信号的频率可以在示波器上显示输出信号在不失真情况下的下限频率和上限频率，此范围为0-12KHz，并且可以观察到输出电压峰峰值为1V，可以看出一级放大倍数为50倍，同理也调试出了二级三级的放大情况。二级放大电路情况同一级放大情况一样，在调试总的放大电路情况时，输入信号频率范围是10-10MHz，并且调节输入信号电压的峰峰值，峰峰值调节范围是0-100mV。调试结果在下文。5电路的调试5.1调试过程 （1）使三级放大电路每一级的正电源端都分别连接+15V电源，在三级放大器的第一级的输入端输入信号，也就是接上信号发生器，此信号可以为正弦信号，可通过调节输入信号的电压峰峰值以及频率范围来调节输出信号的变化。 （2）为了检测输入信号的上限频率以及下限频率，可通过调节输入信号的频率看输出信号的最小频率失真以及最大频率失真，这个最大和最小的范围也就是它的截止频率范围，从而以此来测试通频带是否是平稳的。 （3）通过上述过程，可分别记录不同情况下输出信号的电压峰峰值，电压有效值以及频率范围。5.2测试结果测试结果如表1：输入电压输出电压频率f峰峰值峰峰值有效值3Hz20mv1.6v0.5v5Hz50mv4.5v1.6v10Hz40mv4.0v1.5v1KHz40mv4.1v1.6v1MHz50mv5.2v1.6v10MHz100mv10.2v3.6v50MHz100mv8.8v3.2v 表1 40dB时的输入输出测试 通过表1我们可以看出放大器的预宽带为10Hz-10MHz、最大的增益为40dB的情况下，通频带里是比较平坦的，在这个时候它最大的不失真的输出电压结果大约是10.2v，经过测试此结果比较符合题目的要求的。测试的波形如下：图5 10Hz正弦信号放大图 图5所显示的结果表示为输出信号的电压峰峰值为6V，输出信号的频率为10Hz。图6 20HZ正弦信号放大图 图6所显示的结果表示为输出信号的电压峰峰值为10.8V，输出信号的频率约为20Hz。图7 1KHz正弦信号放大图 图7所显示的结果表示为输出信号的电压峰峰值为11.6V，输出信号的频率1KHz。图8 1MHz正弦信号放大图 图8所显示的结果表示为输出信号的电压峰峰值为12V，输出信号的频率为1MHz。图9 10MHz正弦信号放大图 图9所显示的结果表示为输出信号电压的峰峰值为10V,输出信号的频率为10MHz。通过上述图形所显示的调试结果可以看出这个宽带低噪声放大器的一些指标是满足要求的，由图可以看出，由于输入信号的电压峰峰值的变化以及输入信号频率的变化，输出信号的峰峰值以及输出信号的频率也发生了变化。5.3系统的改进措施 虽然此设计达到了题目的基本要求，但还是存在一些问题需要改进。存在的问题和改进措施为：在每一个模块都能够正常工作的情况下，但是在整个级联调试的时候还是会出现某些杂波的的干扰的，所以我们需要对这种情况进行一些改进措施，这个改进措施就是系统的地线不能够出现环路，所以我们要使地线最好一点接地。在此实验当中我们进行了制板，所以在实现当中我们要保证板子的准确性，在连线时要减少交叉保证电路的简单准确性。6总结本设计采用三级级联的方式来进行，但在设计的开始阶段本打算使用负反馈的形式建立一个一级的放大形式，但事实上发现并不能达到预想的结果，所以在本设计中决定采用三级级联方式，其中所用核心元器件有a741为一级和二级放大电路，采用ca3140为末级放大电路，测量过程中先分别测出每级的放大倍数，然后再测出总的放大倍数。在此设计当中我们一级和二级放大电路提供15V电源，对末级放大电路也采用15V供电电路。在本实验当中为了达到更好的效果，制作了PCB版以便电路的顺利连接以及测试。本设计当中进过反复的调试以及测试达到了预测的结果即这个系统最终实现了电压增益为40dB，通频带为1MHz,以及在有负载的情况下输出电压峰峰值为10V等指标。本设计所需成本较低，简单易行能够达到预想的结果。通过本设计我学到了很多知识，包括软件的使用，电路板的制作与使用，还有电路的连接，以及电路的调试，这期间锻炼了自己的动手能力和分析能力，可以将理论联系实际，培养了我的兴趣，对以后的发展有了更多的帮助。参考文献1 李晓东，宋耀良，商坚刚.宽带线性功率放大器研制D.南京：南京理工大学，20122 曹文才,石玉,何泽涛.超宽带高线性低噪声放大器的研制J.磁性材料及器件，2011,42（3）： 65-693 黄智伟.射频小信号放大器电路设计M.西安：西安电子科技大学出版社，2008:11-234 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