【中频放大链路的总体设计案例分析5100字】

中频放大链路的总体设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u16936中频放大链路的总体设计案例分析 1292441.1设计原理 1100841.2总设计思路以及系统框图 1156671.3各电路模块的原理介绍及设计模块原理图 21.1设计原理中频放大链路在电路中的主要功能是信号放大、调理和选频降噪，其频率比射频低，选频滤波器的带宽可以做得很低，能够增强雷达系统和通信系统的抗干扰能力，在实际生活中的应用十分广泛，除了可以在雷达以及常用的电子通讯设备中实现自动增益控制（AGC）功能，中频放大链路还是模拟前端电路的重要组成部分，作为ADC采集范围和待测信号范围的匹配中介，不同的模拟前端电路需要实现不同的应用功能，本课题设计了一个工作在DC~50Mhz频段，承担着信号放大、电平搬移、阻抗匹配等功能的模拟前端中频放大链路，以完成输入接口到输出接口的信号转换。1.2总设计思路以及系统框图 基于本课题设计的基本要求，设计方案的具体功能框图如图1.1所示，该框图一共包含阻抗调整电路、衰减网络电路、电平搬移电路以及放大网络电路四个部分，需要实现50Ω特征阻抗、0~5V正弦波（DC~50M）输入信号到50Ω特征阻抗、-1~+1V正弦波（DC~50M）输出信号的转换。图1.1总体方案设计功能框图1.3各电路模块的原理介绍及设计模块原理图1.3.1阻抗调整电路阻抗调整（impedancematching）简单来说是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式，是为了能够使得新设计的高频微波控制电路或者新设计的微波系统能够实现无反射，并且让载行波尽量变得接近行波状态的一种技术控制措施。其主要的匹配实现方式可以分为两大类：负载与传输线之间的阻抗匹配，目的是为了负载无反射。这一类设计的主要的方法是接入匹配装置使输入阻抗和特性阻抗相等。信号源与传输线之间的阻抗匹配，这一类的主要目的分为两种不同的情况：①使信号源无反射，该方法是在信号源与传输线之间接入匹配装置（加隔离器）。②信号源共轭匹配，目的是使信号源的输出功率最大，该方法是在信号源与被匹配电路之间接入匹配装置，该方法常用于有源电路设计中。针对不同的使用场景，阻抗匹配电路的各项分析结果均不相同，具体分析比较如表1.1所示：表1.1集总参数元件的匹配电路比较电路种类变压器传输线变压器I型匹配电路T型Π型匹配电路多级匹配电路元件数N1123>3电路结构简单简单简单简单复杂匹配阻抗纯电阻纯电阻有匹配禁区无匹配禁区无匹配禁区电路设计一般一般简单一般较复杂品质因数不可调不可调不可调一定范围内可调可调频率响应窄带宽带窄带窄带/宽带宽带表1.2分布参数元件的匹配电路比较电路种类混合匹配电路单分支匹配电路双分支匹配电路适用频率射频中端射频中高端射频中高端可调节性好一般好电路设计简单一般较复杂电路尺寸较小中较大频率特性一般一般好针对表1.1和表1.2的比较分析结果可知，在设计阻抗调整电路时，需要认清相关的电路特征，当需要提高阻抗值时，使用串联的方式，如果需要阻抗值降低，则使用并联的方式，两个电抗要有相反的类型，且需要产生谐振。如果电路设计要求可以调整品质因数，则我们可以考虑使用T型或π型阻抗匹配电路，也就是可以通过使用多级匹配电路直接达到匹配电路的频率响应。当使用双分支电路不能满足要求时，可以考虑多级匹配电路。使用多级匹配电路可以增大系统设计的灵活性，可以轻松满足不同电路的多种宽带传输需求。而在中高频段，可以使用分布参数匹配电路，当设计的电路介于分布参数与集总参数中间的话，使用混合匹配电路更方便。在本课题的设计中，需要考虑设计的链路系统中信号源与传输线之间无反射，即需要设计链路的信号源与链路传输线进行阻抗匹配，所以，在设计中选择在信号源输出端与传输线输入端之间接入匹配阻抗装置，即在链路的信号源输出端口处加入隔离器电压跟随器，使阻抗调整电路实现50欧姆的输入阻抗。如图1.2所示，常见的电压跟随器一般由晶体管或运放器构成：图1.2电压跟随器的典型电路与一般的晶体管相比运算放大器具有很高的放大倍数和优秀的抗干扰能力，能很好的实现电压跟随器输入阻抗高但是输出阻抗低的特性，并且随着集成化电路工艺的发展，常用的运算放大器具有价格便宜、大众化、性价比高的突出优势，所以，在本课题的设计中选择THS4032ID来设计具体的阻抗调整模块，THS4032ID的相关参数信息如表1.3所示：表1.3THS4032ID芯片的参数信息芯片名称THS4032ID芯片特性（Features）超低压电压反馈放大器应用场合（Applications）适合需要低失真、低电压噪声的应用，其中包括通信和成像。内部框图芯片优势增益稳定，具有很好的交流性能，频带宽度为275Mhz，具有90mA的高驱动能力，绿色安全，环保节能符合RoHSCompliant和ContainsLead的含铅标准。据此，设计具体的阻抗调整电路原理图如图1.3所示：图1.3阻抗调整电路模块原理图如图1.3所示，电压跟随器THS4032的接入方法为同相输入，电压跟随器使用同相输入的方式工作时，输入端的输入阻抗很高，考虑到电压跟随器在同相输入端悬空的情况，其运算放大器上的电压是不确定的，所以考虑到输出端不为0的情况下不能让运算放大器的同相输入端悬空，因此选择在同相输入端和地之间接一个电阻，此时就算没有输入信号时，该电阻也能让电压跟随器的同相输入端保持在0电位。因为此处的接入的电阻需要远小于同相输入端的输入阻抗，同时需要远大于系统信号源的输出阻抗，因此设置同相输入端的接地电阻R1545和R1543均取10M欧姆。在电压跟随器的反馈环路中，将反馈环路的电阻R312与R332取为49.9Ω，此时该模块与信号源的内阻匹配，实现50欧姆的输入阻抗，这样可以保证输出的电压信号是与输入信号完全一致的中频正弦信号，可以使电路减少输出失调电压，同时提高电压跟随器的跟随精度。1.3.2衰减网络电路可以减少信号幅度的电路叫做衰减电路，衰减电路不仅可以使信号的电压衰减到一定值，而且可以对阻抗值进行一定的变换，通常衰减电路又称为Π型或T型衰减网络。因为T型电阻衰减网络不仅能够根据实际的需求随意设置输入阻抗，而且能够实现阻抗匹配的问题，所以T型电阻衰减网络在实际应用中使用较多，同时T型衰减网络可以采用并联电阻分压的模式，能够避免因为使用大电阻分压而对衰减网络性能带来的影响，此外，T型电阻衰减网络的设计较为简单，便于计算，可以在电阻分压时设计使用。常用的T型衰减网络有以下几种：普通T型衰减网络在一般情况下，在设计T型电阻衰减网络时，为了保障电路的衰减倍数处于理论演算的误差范围内，就需要从实际考虑到阻抗匹配的问题，即上一级电路的输出阻抗是否和设计的T型网络输入阻抗一致，即R’=RI，而T型网络的下一级电路的输入阻抗要和T型衰减网络的输出阻抗一致，即RL=R0，具体的电路图如图1.4所示：图1.4普通T型衰减网络电路图由上述图中的阻抗关系可知：RI=R1+R3//(R2+R0)(1.1)R0=R2+R3//(R1+RI)(1.2)由电路的输入电压和输出电压关系可以得出：(RI+R1RI×UIR3+UIRI)×R2=U由(1.1)(1.2)(1.3)结合可以推出：R1=(RIR0×U0UI-1)×R2=(U0UI-1)×2RI×R3=2×RI×U0对称T型衰减网络对称T型衰减网络是普通T型衰减网络的一种特殊情况，当图1.4中的R1=R2时，普通T型衰减网络就变成了对称T型衰减网络，其具体电路图如图1.5所示：图1.5对称T型衰减网络电路图由图中的阻抗关系可知：R0=RI=R1+R2//(R1+RI)(1.7)又由电路的输入电压和输出电压的关系可得：(RI+R1RI×UIR2+UIRI)×R1=U0-UI×由(1.7)(1.8)两式结合推出：R1=R0×U0UIR2=R0×2×U0在本课题的设计要求中，中频放大链路需要实现50Ω特征阻抗、0~5V正弦波（DC~50M）输入信号到50Ω特征阻抗、-1~+1V正弦波（DC~50M）输出信号的转换，此部分的衰减网络需要在输入端采用电阻分压的形式，完成上级输出的0~5V信号改换为0~1V的波形的衰减工作。据此设计出该模块对地分压的衰减网络电路原理图如图1.5所示：图1.6衰减网络模块原理图上图中R316=R326=400Ω，R310=R311=100Ω，设Ui为上级输入衰减网络的电压，UO为衰减网络输出的电压，则当上级输出0-5V的信号时，即UUO=R301R316+R301×Ui=R311UO=100Ω400Ω+100Ω×即该衰减网络可以通过电阻分压，完成0~5V信号到0~1V信号的转换。1.3.3电平搬移电路电平搬移电路简单来说就是位于两级电路之间，使电路的输入端直流电位和上一级电路输出端的直流电位相同，并且让电路的输出端直流电位和下一级电路的输入端直流电位相同的电路。电平搬移电路对信号的衰减很小，在集成电路工艺中可以实现电路的级间直接耦合。在常用的模拟前端电路设计中，需要把多级电路连接成为一个整体，并且使用一个公共电源进行供电，就需要使用电平搬移电路进行电平匹配，使上一级电路的输出直流电平降低到下一级电路所需要的输入直流电平。交流信号可由多种信号源产生，其中不少信号源，诸如TTL等最常用的接口电压不兼容。人们通常使用电容来耦合AC信号，因为电容耦合能滤除直流分置电平。但是电容耦合不适用于所有电路，因为被耦合的信号电压会在地电平之间上下摆动，所以必须增加直流偏置，以使被耦合的信号与接口电压兼容。此外，被耦合的信号所含的直流电压分量VDC随脉冲宽度变化而变化。当被耦合的信号振幅较大时，这种直流变化会对接口电压产生干扰。所以，在设计中对直流电平偏移电路的要求主要有以下两点：对电路中的直流电平要有一定的偏移量；对电路中的交流信号衰减要小。在本课题的设计中需要把上一级电路模块（衰减网络）输出的0~1V信号转换成-1~1V的信号，据此设计的电平搬移电路原理图如图1.7所示：图1.7电平搬移模块原理图在图1.7中，电平搬移模块仍然选择使用增益稳定，具有很好的交流性能的超低压电压反馈放大器THS4032，因为在设计要求中需要把上一级电路输出的整个正弦波下移，并使其信号幅度增加一倍，在这里利用差分放大器的原理实现相关内容，差分放大器的基本电路图如图1.8所示：图1.8差分放大电路基本电路图在图1.8中，将每个输入依次连接到地(0V)时，可以通过叠加法来求解输出电压VoutI1=VI2=VIf=V当Va=VVb=V2(如果V2Vout(a)=-V1(如果V1Vout(b)=V2(R4Vout=−Vout(a)+所以：Vout=-V1(R3R1)+V当电阻R1=R2，R3Vout=R3R1(当电路中所有的电阻均相等时，即：R1=R2=则该基本电路将变成单位增益差分放大电路，由公式可以看出放大电路的增益恰好为1，所以可以得到单位增益差分放大电路输出电压的表达式为：Vout=V2-将上述推导带入到图1.5的电路原理图中，当上一级输出信号为0~1V时：Vout=V2-即该电平搬移模块通过THS4032完成0~1V信号到-1~1V信号的转换。1.3.4放大网络电路在通讯领域的高速转换系统中，可以允许模数转换器（ADC）输入信号为AC耦合信号，但是在测试、测量的行业领域中，模拟前端电路不仅需要提供AC耦合能力还需要使实际应用中的输入信号与DC耦合，因此本设计采用差分放大器来实现放大网络电路的信号放大工作。如图1.9设计的原理图所示，在放大网络中采用ADA4938-2ACPZ-R2来实现信号放大。ADA4938-2ACPZ-R2的相关参数信息如表1.4所示：表1.4ADA4938-2ACPZ-R2芯片的参数信息芯片名称ADA4938-2ACPZ-R2芯片特性（Features）低噪声、低失真度、高速差分放大器应用场合（Applications）ADC驱动器、单端-差分转换器、中频与基带增益模块、差分缓冲器、线路驱动器内部框图芯片优势超低的谐波失真−107dBcHD210MHz−81dBcHD250MHz−108dBcHD310MHz−81dBcHD350MHz低输入电压噪声：1.5nV/√Hz高速转换速率：4699V/μs0.1dB的增益平坦度带宽：151MHz过驱动恢复迅速：4ns偏移电压：1mV(典型值)外部可调增益差分-差分或单端-差分工作可调输出共模电压宽电源电压范围:+5V～±5V提供单路放大器或双路放大器两种配置ADA4938-2ACPZ-R2是一款低噪声、超低失真度、高速差分的放大器。它