宽带前置放大电路.doc

宽带前置放大电路【摘要】：本系统设计的宽带前置放大电路由输入阻抗匹配单元、无源衰减网络、有源放大电路三部分组成，带宽可达40MHz,具有良好的直流和交流特性，输入阻抗匹配单元有50和1M可选，由电阻电容组成的无源衰减网络与后级相匹配可实现不低于DC35MHz的1倍和10倍衰减，有源放大单元选用TI公司的OPA690和THS4211可实现对信号1倍、2倍、5倍、10倍放大，电路输出电阻近似为0。 一、 系统整体方案论证与比较题目要求有源放大电路采用正负5V供电，在正负5V电源及1M欧输入阻抗的条件下进行1倍、10倍衰减，以及1、2、5、10倍有源放大，可供选择方案如下：方案一：为了实现衰减和放大的功能，考虑直接选取可调增益的运放实现，如AD603。其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在梯形网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定的，优点是电路集成度高、结构简单。缺点是此芯片的衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定的，要手动精准控制，难度大；梯形电阻网络的输入阻抗低，不能满足1M的要求；且工作频带仅为50MHz，很难满足题目工作带宽要求。方案二、根据题目对电路衰减和放大倍数的要求，特别是工作频带高的要求，采用宽带运放，如TI的OPA690、THS4211构成后级有源放大环节，其增益带宽积带宽均在500M以上，满足题目要求的DC35M工作带宽的要求，1、2、5、10倍放大分开，10倍放大采用5倍与2倍相乘的形式可以降低对单级运放带宽的要求，无源衰减网络采用电阻分压构成，采用电阻分压不会限制输入信号的带宽，阻抗匹配部分采用电阻串并联形式。综上所述：我们选择方案二作为本次比赛的总体方案。二、 系统整体框图系统整体框图如图2-1所示。图2-1 系统整体框图三、 系统硬件设计1、 输入阻抗及无源衰减部分设计（1）输入阻抗匹配部分输入阻抗要求最大允许误差为2%，同时50输入阻抗可承受5V的过载能力。若采用单个电阻作为输入，不仅没有标称值为50的电阻，而且该电阻承受的功率为： 大于电阻的额定功率，电阻会由于功率过大而毁坏，故考虑选用6个300电阻并联组成的输入电阻网络，这样输入阻抗仍为50，且每个电阻承受的功率为： 1M输入阻抗直接采用单个1M电阻作为输入电阻，题目要求能承受36V输入过载，当输入电压为36V时，电阻承受的功率为： 满足要求。（2）无源衰减电路10倍衰减采用电阻串联分压的形式，实际上一个电阻等效于一个电容，一个电感，和一个电阻的串连，在低频情况下电容和电感效应表现不是很明显，而在高频情况下，等效值会增大，不能忽略，小电阻在高频时的寄生电容比大电阻小，本设计采用180和20电阻串联进行分压实现10倍衰减。当输入电阻选为1M时，会与200的电阻衰减网络相并联，致使输入阻抗降到199.96，所以在中间加入高速运放AD811缓冲作为隔离，使前级输入阻抗与此无源衰减网络相互不影响，由于输入的大信号峰峰值达到10V，故运放AD811采用+/-15V供电。AD811在增益为1时具有140MHz的带宽，不会限制输入信号的带宽。采用二级管进行过压保护。输入阻抗匹配和无源衰减部分的电路图如图3-1所示。图 3-1阻抗匹配及无源衰减网络2、有源放大部分设计有源放大电路由放大倍数分别为1、2、5、10倍电路组成。采用同相输入接法，可提高输入阻抗，增大共模抑制比。且均采用题目要求的+/-5V电源供电。（1）1倍放大电路1倍放大采用ADI公司的高速运放AD811，增益为1时带宽为140MHz，压摆率为2500V/ms, 满足题目DC35MHz的带宽要求，AD811为电流反馈型运放，其增益和带宽是相互独立的，即其增益带宽积不随输入信号频率的增高而减小。1倍放大电路电路图如图3-2所示。 图3-2 1倍放大电路（2）2倍放大电路2倍放大采用TI公司的低失真、高速电压反馈型运放THS4211搭建，采用单端输入方式，增益为2时带宽为130MHz，根据芯片本身的特点前级匹配一个180的输入电阻，反馈电阻R22的选择，原则上不要超过100k，若阻值太大则寄生的电感电容也会很大，会限制带宽；甚至在反馈系数中引入低频极点，使运放不稳定，也不能太小，若阻值太小容易造成幅值过冲，根据芯片数据手册选择了R22=R18=310，放大倍数为。2倍放大电路如图3-3所示。 图3-3 2倍放大电路图（3）5、10倍放大电路5倍和10倍放大均采用TI公司的高速宽带放大器OPA690，其增益带宽积为500M，转换速率为1800V/us，足以满足题目工作带宽为DC10M的要求， 5倍放大部分采用OPA690单级放大，输入端匹配一个180的电阻，采用百欧数量级的电阻作为作为反馈电阻。5倍放大电路图如图3-4所示。10倍放大电路需达到DC-35MHz的带宽，采用两级放大以降低电路对芯片大带宽和高转换速率的要求。采用两片TI公司的OPA690级联放大，输入到前级运算放大器的信号幅值较小，为了减小动态误差，采用前级放大5倍后级放大2倍，根据芯片数据手册，在两级级联时匹配50电阻以防止电路自激。为了减小电源和地线对高频信号的干扰，电路加入去耦电容，信号的输入输出均采用BNC接头，用屏蔽线传输信号，以减小对信号的干扰，10倍放大电路图如图3-5所示。 图3-5 10倍放大电路图四、 电路调试与测试1、 电路调试电路调试采用逐级调试的方法。由于本题属于高频电路，易产生寄生电容和噪声等干扰，故调试过程相对复杂。（1）对无源衰减网络进行调试，刚开始采用K欧级电阻分压进行10倍衰减误差较大，经分析是由于高频时大电阻的容性感性效应比较明显导致衰减比例严重偏离设定值，改用百欧级电阻即为180和20后误差较小，小电阻在高频时虽然也有容性和感性效应但没有大电阻明显故采用小电阻分压来减小误差。（2）对1倍放大电路进行调试。接通信号源，用示波器对信号进行跟踪，不断改变信号源输入频率，观察示波器输出波形的变化。在调试的过程中发现，输入低频信号的情况下输出幅值符合1倍放大要求，当频率升高到10MHz后过冲明显增大，甚至输出信号幅度成倍增长，当频率增加到20MHz左右时，输出幅值回落到理论值。经过分析，宽带放大器在高频时如果输入电阻和反馈电阻的阻值选择不好将达不到芯片最佳的工作性能，高频时电阻寄生电容值增大，使运放放大倍数偏离实际值，通过更换输入和反馈电阻，解决上述问题。随着信号频率的增加，输出幅度的衰减趋势明显，而解决这个问题的方法是在运放的反馈电阻上并一个5pF的小电容，作用是与电路寄生电容相抵消，这样1倍放大调试基本完成，输出符合要求。用此方法对2倍、5倍放大电路输出的过冲和衰减进行调试，经过测量调整再测量再调整的反复过程，达到题目要求。2、 电路测试（1）测试工具： RIGOL DG1022型信号源 EE1051型高频信号发生器TDS1002型数字示波器 VICTOR8155型高精度数字万用表（2）数据数据测试与分析1、数据测试对输入阻抗的测量：直接用高精度数字万用表对输入阻抗进行测量，接通选择不同输入阻值的开关，测得误差均在2%以内。过载能力的测试：输入端加入了二级管进行过压保护当输入电压大于+15v或小于-15v时电压就会被钳位在+/-15v，使输入到后级电压不会超过+/-15v。 直流零点的测试：在输入短路时，用数字万用表测得的电路输出直流电压为0.800mV。频率特性测试：表1 大信号衰减10倍带宽特性输入信号峰值：5V 输入阻抗：1M最大衰减：2% 最大过冲：0.4% 频率（Hz）1100K500K1M5M10M12M13M输出幅度（mV）500501501500502490490502表2 2倍放大带宽特性输入峰值为：0.5V 输入阻抗：1M 最大衰减为：0 最大过冲为：4%频率（Hz）1100K500K1M5M10M15M20M输出幅度（V）1.001.021.011.011.031.041.021.04表3 5倍放大带宽特性输入峰值为：0.2V 输入阻抗1M 最大衰减为：1% 最大过冲为：6%频率（Hz）1100K500K1M5M10M15M20M输出幅度（V）1.001.001.021.011.021.041.060.99表4 10倍放大带宽特性输入峰值为：0.1V 输入阻抗1M 最大衰减为：7% 最大过冲为：3%频率（Hz）1100K500K1M5M10M15M20M输出幅度（V）1.011.011.001.001.011.030.930.93表5 大信号1倍放大扩展宽带特性输入峰值：1V 输入阻抗1M最大衰减为5% 最大过冲为：1%频率（Hz）1100K500K1M5M10M15M20M30M30M35M输出幅度（V）1.001.001.001.001.011.000.950.96表6 小信号扩展带宽特性 (输入峰值为0.1V时，电路设置衰减10倍，再放大10倍)输入峰值：0.1V 输入阻抗1M最大衰减为：9% 最大过冲为：3%频率（Hz）1100k500k1M5M10M15M20M30M36M40M输出幅度(mV）101101101100103102999310095912、数据分析（1）2倍、5倍、10倍放大输出带宽均可达到20MHz，超出题目发挥部分10MHz的要求。输出信号峰值最大过冲在3%以内，最大衰减在9%以内，满足题目最大过冲15%最大衰减10%的要求。（2）大信号10倍衰减信号输出带宽可达13M，超出题目10MHz的要求。输出信号峰值最大过冲在0.4%以内，最大衰减在2%以内，