100MHz放大器设计

1 100MHz 放大器设计 2 一 一 课题要求课题要求 1 输入 50mv 100MHz 输出 2v 100MHz 2 放大后要求信号稳定且无明显失真 二 二 方案论证方案论证 1 分立器件放大电路分立器件放大电路 在 低频电子线路 课程中已知 放大器可以按照电流导通角的不同 将其 分为甲 乙 甲乙 丙三类工作状态 甲类放大器电流的流通角为360度 适用 于小信号低功率放大 乙类放大器电流的流通角约等于180度 丙类放大器电流 的流通角则小于180度 乙类和丙类都适用于大功率工作 丙类工作状态的输出功率和效率是三种 工作状态中最高者 高频功率放大器大多工作于丙类 但丙类放大器的电流波 形失真太大 因而只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大 由于调谐 回路具有滤波能力 回路电流与电压仍然极近于正弦波形 失真很小 可是若 仅仅是用一个功率放大器 不管是甲类或者丙类 都无法做到如此大的功率放 大 综上 确定电路设计由两个模块组成 第一模块是两级甲类放大器 第二 模块是一工作在丙类状态的谐振放大器 其作为功放输出级最好能工作在临界 状态 因为此时输出交流功率最大 效率也较高 一般认为此工作状态为最佳 工作状态 上述方案 虽可实现设计 但是电路复杂 后期调试周期长 稳定性不高 2 集成运放放大电路集成运放放大电路 集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合放大器 主要由输 入 中间 输出三部分组成 输入部分是差动放大电路 有同相和反相两个输 入端 前者的电压变化和输出端的电压变化方向一致 后者则相反 中间部分 提供高电压放大倍数 经输出部分传到负载 供电电源通常接成对地为正或对 地为负的形式 而以地作为输入 输出和电源的公共端 选择合适类型及参数 的运放就能很好的达到课题要求参数 并且具有很好的稳定性和极低的失真度 通过查询大量数据手册 最终选定最终选择德州仪器公司 TI 的高带宽 高性 能运放 OPA846IDBVT 最大带宽 400MHz 超低输入噪声电压 能够HzVn2 1 满足设计需求 综上两方案 最终选定方案 2 3 三 三 方案设计方案设计 1 电路框图电路框图 3 1 程序框图 2 电路参数计算电路参数计算 1 计采用运放同相比例运算的方式进行放大 通过通用运放放大计算方式 得到 OPA846 的放大倍数计算 根据虚断虚断可得 I uuu F 1 ii 输入 OPA846 正 向放大方式 输出 负反馈 4 f IO 1 I R uu R u I 1 f O 1 u R R u 2 由上述公式得知 通过调节反馈电阻的大小与负相输入端接地电阻的比 值就可以得到一个合适的放大倍数 由于 OPA846 在 100MHz 输入频率时 最 大倍数只有 10 倍 无法满足设计需求 40 倍的要求 所以采用两级放大发方式 第一级放大 10 倍 第二级放大 4 倍 从而实现 40 倍的放大 通过官方数据手 册得到负相输入端的电阻参考值值为 50 欧姆 故实际电路中 50 52 RR 根据上述放大倍数公式 可得第一级放大 450所以 50且 110 32 2 3 RR R R 第二级放大 150所以 50且 14 15 5 1 RR R R 3 电路设计 图 2 3 电路设计 5 四 四 仿真结果分析仿真结果分析 图 4 1 仿真结果图 如图 4 1 所示 通道 A 为蓝色 输出信号 通道 B 为红色 输入信号 由 图像可知 两波形幅度一样 但是通道电压刻度值为 2V 50mv 即放大了 40 倍 且波形无明显失真 且工作稳定 各项指标达到设计要求 五 五 芯片介绍选型芯片介绍选型 本题需要将 100MHz 且幅值为 50mv 的信号放大到 2v 并且放大后要求信 号稳定 由理论知识得当增益带宽比较大时 一般的芯片难以满足这个标准 所以找到一颗高带宽 高性能的运放是解决此设计才难点 通过参数对比及查询 最终选择德州仪器公司 TI 的高带宽 高性能运放 OPA846IDBVT 最大带宽400MHz 超低输入噪声电压 HzVn2 1 OPA846IDBVT 将极高增益带宽和大信号性能与极低输入输入电压噪声组合 在一起 同时消耗极低电源电流 这款经典的差分输入级和两个正向增益级以 及一个高功率输出级组合在一起使得OPA846成为具有出色直流精度和输出驱动 能力的优质低失真放大器 此电压反馈架构使得全部标准运算放大器应用能够 以极高的性能执行 低输入电压和电流噪声的组合 连同增益带宽 使得 6 OPA846 成为针对宽频带转阻级的理想放大器 可使用一项全新的外部补偿技 术来为OPA846 提供一个低于最小稳定增益的十分平坦的频率响应 从而进一 步改进其已经十分出色的失真性能 六 六 整体图整体图 6 1 整体图 七 七 遇到问题及其解决方法遇到问题及其解决方法 遇到问题遇到问题 1 试了很多运放 当频率达到及兆赫兹时 已经不能放大信号了 2 输出信号出