1、大學生電子設(shè)計競賽系列講座 射頻寬帶放大器,報告人：劉開華 2013年11月,各位老師上午好！,第一部分 概述 第二部分 基礎(chǔ)知識 第三部分 賽題解析,報 告 內(nèi) 容,第一部分 概 述,放大器是出現(xiàn)較多的一類競賽題。如：1995年的實用低頻功率放大器； 1999年的測量放大器； 2001年的高效率音頻功率放大器； 2003年的寬帶放大器； 2009年的寬帶直流放大器； 2013年的射頻寬帶放大器。 同時綜合測評和其他賽題也包涵的放大器內(nèi)容。,概 述,該類競賽題目的特點： 1、題目涵蓋了電子信息各類學生必需掌握的專業(yè)基礎(chǔ)知識，對專業(yè)知識要求相對較低。所以，以放大器為載體構(gòu)成的電子競賽題，適用的專

2、業(yè)、年級范圍寬泛，容易構(gòu)成“基本要求部分上手容易，發(fā)揮要求部分制作難度有梯度，整體工作量適當”的賽題； 2、放大器是指標型的題目，參數(shù)要求靈活，實現(xiàn)方法多樣。對參賽學生的基本功、實踐經(jīng)驗、接受新技術(shù)、新器件的能力要求高；,概 述,該類競賽題目的特點： 3、放大器是組成各類電子系統(tǒng)的重要單元電路，其應(yīng)用背景明顯，并對新技術(shù)、新器件發(fā)展、工藝制作質(zhì)量敏感。分析近年的考題，我們可以清晰看出放大器類題目跟隨業(yè)界技術(shù)發(fā)展的趨勢：即寬帶、高增益和高性能（較高的輸出電壓、較高的效率、較寬的動態(tài)范圍、較低的噪聲性能），以及采用新型器件的導(dǎo)向。,概 述,第二部分 基礎(chǔ)知識,放大器設(shè)計是各類競賽題中均包含的內(nèi)容，

3、每個參賽隊肯定會賽前訓練。目前設(shè)計放大器基本均采用集成電路運算放大器的方案，所以關(guān)鍵是選擇合適的芯片。這使得訓練應(yīng)分為普通訓練和專項訓練。,一、基本放大器,普通訓練主要是采用通用芯片，結(jié)合傳感器等，設(shè)計普通放大器、差分放大器、儀用放大器和小功率的驅(qū)動電路，以滿足相關(guān)系統(tǒng)對模擬信號采集、調(diào)理的需求。 當選擇設(shè)計放大器為訓練方向時，則需要在寬帶、高增益（可調(diào)）、高輸出電壓（或有輸出功率要求）、阻抗匹配、失真、低噪聲、帶內(nèi)增益起伏、矩形系數(shù)等指標提高上下功夫。,一、基本放大器,包含信號調(diào)理電路、信號發(fā)生電路、有源濾波器、比較器。這部分內(nèi)容還要考慮NE555芯片的應(yīng)用。將運放應(yīng)用電路單獨提出來，是因為

4、該部分非常重要且范圍寬，誰也無法限定范圍，但題目中肯定會用上。在培訓時，訓練的典型電路越多越好。,一、運算放大器應(yīng)用電路,1.選好合適的芯片，能取得事半功倍的效果。如03年寬帶放大器一題，功能完成較好的作品均是采用了AD603作為中間放大級。09年寬帶直流放大器一題，對帶寬和輸出功率提出新的要求。該題的寬帶、高增益且可調(diào)指標仍然是采用AD603等芯片實現(xiàn)，但輸出電壓（功率）指標有新要求，需要采用THS3092，LT1210，BUF634等性能好的新型集成芯片。今年的題目對新型、高性能集成電路的依賴更加明顯。 2需要設(shè)計好整體方案。包括增益分配（動態(tài)范圍），阻抗匹配、帶內(nèi)增益波動，09年和13年

5、放大器均要求了帶內(nèi)增益波動1dB，噪聲抑制和功率驅(qū)動。 3. 良好的制作工藝。布局、屏蔽、去耦、接地等。,二、放大器設(shè)計制作,第三部分-賽題解析 射頻寬帶放大器（D題）,出題思想 1.上手容易，整體要有難度，并且難度要有梯度。 2. 改變目前學生培養(yǎng)的弱項，推動實驗教學改革的發(fā)展（高頻段）。 3. 體現(xiàn)技術(shù)發(fā)展趨勢，和工程實際應(yīng)用背景。（寬帶，新器件，新技術(shù)，動態(tài)范圍，阻抗匹配，工藝）。 4. 重點要求基本指標，包括增益（增益可調(diào)）、帶寬和帶負載能力（輸出電壓）。,一、任務(wù) 設(shè)計并制作一個射頻寬帶放大器。 二、要求 1基本要求 （1）電壓增益Av 20dB，輸入電壓有效值Ui 20mV。Av在

6、020dB范圍內(nèi)可調(diào)。 （2）最大輸出正弦波電壓有效值Uo200mV，輸出信號波形無明顯失真。 （3）放大器BW-3dB的下限頻率fL 0.3MHz，上限頻率fH20MHz，并要求在1MHz15MHz頻帶內(nèi)增益起伏1dB。 （4）放大器的輸入阻抗 = 50，輸出阻抗 = 50 。,題目,2發(fā)揮部分 （1）電壓增益Av 60dB，輸入電壓有效值Ui 1 mV。Av在060dB范圍內(nèi)可調(diào)。 （2）在Av 60dB時，輸出端噪聲電壓的峰峰值UoNpp 100mV。 （3）放大器BW-3dB的下限頻率fL 0.3MHz，上限頻率fH100MHz，并要求在1MHz80MHz頻帶內(nèi)增益起伏1dB。該項目要

7、求在Av 60dB（或可達到的最高電壓增益點），最大輸出正弦波電壓有效值Uo 1V，輸出信號波形無明顯失真條件下測試。 （4）最大輸出正弦波電壓有效值Uo 1V，輸出信號波形無明顯失真。 （5）其他（例如進一步提高放大器的增益、帶寬等）。,題目,3. 說明 1）要求負載電阻兩端預(yù)留測試端子。最大輸出正弦波電壓有效值應(yīng)在RL=50條件下測試（要求RL阻值誤差5 %），如負載電阻不符合要求，該項目不得分。 2）評測時參賽隊自備一臺220V交流輸入的直流穩(wěn)壓電源。 3）建議的測試框圖如圖1所示，可采用點頻測試法。,基本技能,圖1 測試框圖,圖2 幅頻特性示意圖,該題目的考點主要有：帶寬、增益（高增益

8、、可調(diào)、帶內(nèi)波動）、帶負載能力、動態(tài)范圍（增益分配）、阻抗匹配、降低噪聲、測量方法。 帶寬指標主要通過選擇新型高性能的運算放大器實現(xiàn)，如OPA847、OPA690、THS3091、OPA2694 、AD8321 高增益均采用多級放大器實現(xiàn)，典型的設(shè)計方案是采用3級放大器，也有采用4級放大的方案。 由于今年題目對增益可調(diào)功能沒有程控、步進的要求。所以，可簡單的使用手動調(diào)整方案。如選擇程控增益解決方案，有兩種實現(xiàn)方法。1.采用可程控增益運放；2.采用可程控衰減器實現(xiàn)。 帶內(nèi)增益波動指標通過極間阻抗匹配、補償?shù)冉鉀Q。,三、題目分析,動態(tài)范圍（增益分配）指標主要是做好增益分配。今年全國復(fù)測時比賽區(qū)測試

9、多了一項輸入20mV時測輸出電壓。結(jié)果，不少的隊因為增益分配不太合理，輸出失真，丟了分。主要原因是一些隊為了降低噪聲，將第一級的增益設(shè)置過高且不可調(diào)。結(jié)果輸入稍大，第一級就飽和了，后面再衰減或調(diào)整也起不了作用，造成輸出失真。 阻抗匹配。該題目要求輸入、輸出阻抗均為50 ，并要求負載為50 。所以，需要在輸入端和輸出端設(shè)置阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。其中輸出端最好為可方便摘下來的負載電阻，但實際很少有這樣做的。當運放的輸出電阻很小時，還要考慮先在運放輸出端串一個50 的電阻，然后再接50 負載。,三、題目分析,降低噪聲。主要是選器件、好布局。 測量方法。信號源內(nèi)阻為50 ，先將信號源信號幅度設(shè)置為1mV，然后

10、，再設(shè)置為20mV。示波器采用高阻輸入方式，作品帶著負載電阻測試。,三、題目分析,系統(tǒng)方案設(shè)計 大多數(shù)作品采用固定增益放大器（THS3201）、可調(diào)增益放大器（AD8367）和輸出功率放大器（THS3901）構(gòu)成的三級放大方案。 部分作品采用固定增益放大器（OPA847）、程控步進衰減模塊（PE4306）、壓控增益放大器（VCA821）和輸出功率放大器（AD8009，THS3201）構(gòu)成的四級放大方案。,四、作品設(shè)計舉例,模塊設(shè)計 可控增益放大器設(shè)計 方案一：采用場效應(yīng)管或三極管控制增益。主要利用場效應(yīng)管可變電阻區(qū)（或三極管等效為壓控電阻）實現(xiàn)增益控制，由于題目要求的頻帶較高。該方案采用大量分

11、立元件，電路復(fù)雜，穩(wěn)定性差。 方案二：采用多路選擇器來來改變放大器跨接的電阻的值實現(xiàn)增益控制。該方案需求每一級放大器都要加多路選擇器，不能實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，影響高頻的頻率特性。 方案三：根據(jù)放大電路增益可控的要求，考慮直接選取可調(diào)增益的運放實現(xiàn)（如VCA820，VCA821，AD603 ，AD8367）。其特點是以dB為單位進行調(diào)節(jié)，可控增益約40dB,可以用單片機方便的預(yù)制增益。,四、作品設(shè)計舉例,寬帶放大模塊設(shè)計 方案一：采用電壓反饋放大器OPA846、OPA847、OPA657、OPA690等電壓放大器，該系列的運算放大器的增益帶寬積很高，需要仔細設(shè)計PCB電路板。 方案二：采用電流反饋放大

12、器OPA691，OPA2694、THS3201。,四、作品設(shè)計舉例,輸出級電路設(shè)計 方案一：使用雙極型三級管組成互補乙類推挽功率放大器，單倍增益跟隨，增大輸出電流，提高帶負載能力。匹配、調(diào)試復(fù)雜。 方案二：使用壓擺率高、電流輸出能力較大的電流反饋運算放大器，如THS3091等。此種方案可以提供一定的輸出電流，利于系統(tǒng)穩(wěn)定。,四、作品設(shè)計舉例,系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計 （1）放大器板上運放電源線及數(shù)字信號線均加磁珠和電容濾波，磁珠可濾除電流上的毛刺，電容濾除較低頻率的干擾，它們配合在一起可較好地濾除電路上的串擾。安裝時盡量靠近IC電源和地。 （2）信號耦合用電解電容兩端并接高頻瓷片電容以避免高頻增益下降。

13、 （3）在兩個焊接板之間傳遞模擬信號時用同軸電纜，信號輸入輸出使用SMA-BNC接頭以使傳輸阻抗匹配，并可減少空間電磁波對本電路的干擾，同時避免放大器自激。 （4）數(shù)字電路部分和模擬電路部分的電源嚴格分開，同時數(shù)字地和模擬地電源地一點相連。,四、作品設(shè)計舉例,增益控制模塊設(shè)計 方案一：在電源+5V和地之間使用可調(diào)電位器來給集成壓控增益放大器的電壓控制管腳（1號管腳）提供一個穩(wěn)定的電壓，改變可變電位器的分壓即可控制增益的變化。改變可變電位器的分壓即可控制增益的變化。此方案為手動調(diào)節(jié)。 方案二：通過單片機進行運算并控制D/A芯片輸出來給提供控制電壓，從而實現(xiàn)較精確的數(shù)控。此方案為程序控制。 綜合比

14、較這兩種方案，各有優(yōu)勢。手動控制能實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，而程序控制又比較直觀、方便。,四、作品設(shè)計舉例,4.增益分配 由于要求輸入電壓有效值1mV Ui 20mV；輸出端噪聲電壓的峰峰值UoNpp 100mV；在1MHz80MHz頻帶內(nèi)增益起伏1dB。 某設(shè)計選擇低噪輸入級OPA690增益為5倍，第二級為-10dB30dB，第三放大級OPA847增益為10倍，輸出驅(qū)動級THS3091增益為2倍。,四、作品設(shè)計舉例,頻帶內(nèi)增益起伏控制 1） 選增益曲線平坦的器件 如THS3092。 2） 極間阻抗匹配。 3） 輸出頻率補償。 4） 合理利用芯片的特性。,四、作品設(shè)計舉例,系統(tǒng)框圖,四、作品設(shè)計舉例,可控

15、電壓增益電路 可控增益調(diào)節(jié)部分使用壓控增益放大器VCA820，VCA820在寬頻帶工作模式下，增益控制范圍為-20dB+20dB。 前級電壓增益放大電路 由于OPA657的增益帶寬積高達1.6GHz,并且其輸入失調(diào)電流僅有0.25mV，對于后級電路的調(diào)理起到相當大的簡化作用。 后級電壓增益放大電路 作為末級放大電路，一方面需要滿足題目要求電壓增益Av60dB，另一方面為了避免放大倍數(shù)過大而自激，引入干擾。末級放大電路的增益應(yīng)盡可能小但又必須達到要求?？蛇x擇大功率帶寬，單位增益穩(wěn)定，高輸出電流的運放OPA2694。,四、其他設(shè)計舉例,可控電壓增益電路 方案一：以高增益精度的壓控VGA芯片AD60

16、3作為核心放大器，但頻率再高時，效果很不理想，并且在級聯(lián)時，很容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象。 方案二：采用寬帶可變增益FET放大電路，其缺點是增益步進控制難以實現(xiàn)，高頻時頻率的穩(wěn)定性不好，在20KHz5MHz頻帶內(nèi)增益起伏較大，不能滿足設(shè)計要求。 方案三：選用AD8321和ATmega48為核心對信號進行處理。由于AD8321輸出電壓具有足夠高的幅度以滿足Vo1V的要求，所以無需增加功率放大部分。,其他設(shè)計舉例,某作品的系統(tǒng)整體框圖,其他設(shè)計舉例,寬帶放大器設(shè)計 AD8321為高頻段放大器，含SPI總線接口，其帶寬235MHz，增益可調(diào)，其最大增益為24dB。為滿足題目60dB的要求，系統(tǒng)采取三級級聯(lián)的措

17、施。理論上Gain=24+24+24=72dB。因此可以實現(xiàn)題目中對增益的要求。系統(tǒng)由單片機通過SPI總線發(fā)送數(shù)據(jù)控制其增益。,其他設(shè)計舉例,2.通頻帶內(nèi)增益起伏控制 在通常的寬帶放大電路中，要想使頻帶內(nèi)增益起伏1db 是比較困難的，在本電路中就巧妙的利用芯片本身特性，和外圍器件的共同作用，先將信號輸入后進行相應(yīng)的放大和補償，即利用第一級輸出后的電感、電容、電阻網(wǎng)絡(luò)進行補償，再經(jīng)第二、三級后面的電阻網(wǎng)絡(luò)（即每一級輸出后面的電阻網(wǎng)絡(luò)），將整體相應(yīng)的拉低，從而實現(xiàn)了頻帶內(nèi)增益起伏1V。 8.均衡器 在系統(tǒng)中，傳輸信號的衰減量與信號頻率的平方根成正比，即衰減隨著信號頻率的升高而增加，均衡器則是對同軸電纜的衰減特性進行頻率補償，也就是說均衡器是一個與頻率特性相反的衰減器，對較低頻率的信號衰減較大，而對較高頻率的信號衰減較小。 均衡器通常是由電感、電容和電阻組成的T型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它的原理圖見下圖。,另一個作品方案設(shè)計舉例,優(yōu)秀作品,優(yōu)秀作品,優(yōu)秀作品,優(yōu)秀作品,電子設(shè)計競賽的特點是最終將作品實際做出來，并需要能運行、演示。因此競賽對學生的培養(yǎng)是多方面的，不僅可有效培養(yǎng)學生的實際動手能力和創(chuàng)新能力；還能將理論分析與系統(tǒng)設(shè)計相結(jié)合，引導(dǎo)學生把之前學習的知識串起來，形成系統(tǒng)的概念。,幾點體會與建議,對