陳亮名，楊 昆

（西南交通大學(xué) 四川 成都 611756）

基于寬帶高增益的放大器設(shè)計

陳亮名，楊 昆

（西南交通大學(xué) 四川 成都 611756）

文中介紹了一種基于集成運算放大器實現(xiàn)的寬帶高增益放大器，本系統(tǒng)創(chuàng)造性地利用兩級寬帶運放VCA822壓控放大，寬帶運算放大器OPA690輸出，完成了一個通頻帶50 kHz～40 MHz，增益0～68 dB可調(diào)的寬帶高增益放大器。放大器噪聲小，通頻帶范圍寬，最大放大倍數(shù)大，后級加入了開關(guān)手動切換的自動增益控制電路模塊，自制電源降壓模塊。系統(tǒng)采用多種方式消除了高增益，高頻自激。放大器輸入輸出阻抗均為50 Ω，方便和前后級電路匹配。

VCA822；壓控增益；自動增益控制；寬帶放大器；放大倍數(shù)

當(dāng)代無線通訊領(lǐng)域中，寬帶高增益放大器必不可少，但隨著電子電路的發(fā)展，通信系統(tǒng)對其帶內(nèi)平坦度，增益范圍，帶寬，噪聲等性能指標(biāo)提出了越來越高的要求。特別是在通行鏈路的傳輸中，寬帶高增益放大器是其中的關(guān)鍵設(shè)備，因為在傳輸過程中，放大器的特性易受環(huán)境，材質(zhì)，溫度噪聲等多方面的影響，也就造成該技術(shù)的研制設(shè)計一直是生活，工業(yè)，軍用，醫(yī)療等多個領(lǐng)域的前沿課題，其研究價值極大。微電子技術(shù)，芯片工藝的發(fā)展帶動了通信電路的進(jìn)步，寬帶高增益放大器被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)，無線通信，導(dǎo)航，衛(wèi)星通訊，電子對抗技術(shù)等，研究其高頻，高增益，低失真，低噪聲的放大器特性具有非常重要的意義[1]。目前寬帶高增益放大器一般線性度不好，噪聲大，設(shè)計難，易自激等缺點，文中給出了一種寬帶高增益放大器的具體設(shè)計及消除自激的方法。

1 系統(tǒng)電路

1.1 系統(tǒng)組成

本寬帶高增益放大器由寬帶放大模塊、自動增益控制模塊、電源模塊組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1.2 寬帶放大模塊

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of the system

寬帶放大器由兩級寬帶壓控放大器，配合寬帶運算放大器實現(xiàn)，電路原理圖見圖2。兩級構(gòu)成的寬帶壓控放大部分完成了0～52 dB動態(tài)范圍的增益可調(diào)，使用進(jìn)行可調(diào)電壓放大達(dá)到最大電壓增益為16 dB，使整體的增益達(dá)到68 dB。

VCA822是一款直流耦合型寬頻帶壓控增益放大器，最大工作頻帶寬度可到達(dá)150 MHz，增益大于40 dB的控制范圍，160 mA的輸出電流，并且具有優(yōu)越的噪聲特性和高精度的增益控制。放大器增益由控制電壓和外圍電阻阻值共同決定[2]。在控制電壓的作用下，該器件可提供精確的增益，且按V/V線性變化，且有良好的穩(wěn)定性。同時在后級加入500 MHz的電壓反饋型運放OPA690。若只采用1級VCA822直接放大的話，很容易在Av≥30 dB和高頻的時候產(chǎn)生自激，因此，我們采用3級級聯(lián)分別進(jìn)行放大的方案。

根據(jù)TI提供的VCA822數(shù)據(jù)手冊，可以決定外圍電阻的具體參數(shù)。由單級放大倍數(shù) Av（max）=20＞10，則 1.33 kΩ＜Rf＜845 Ω；通過 Av（max）=2Rf/RG選擇 133 Ω＜RG＜84 Ω；增益控制電壓VG由電位器對電源降壓后的+5 V分壓后獲得。VCA822 的 IRGmax=2.6 mA，VINmax（VPP）=2RG*IRGmax，因而RG決定了該器件的輸入信號的動態(tài)范圍。這和放大倍數(shù)是一對矛盾，必須根據(jù)實際要求選擇合適的 RG，RF[3]。OPA690用于后級功率放大，實現(xiàn)放大器具有較大的輸出電壓與功率。采用運放的典型負(fù)反饋電路，其外圍電阻值采用數(shù)據(jù)手冊推薦值。

圖2 放大模塊原理圖Fig.2 Schematic amplifier module

1.3 自動增益控制模塊

自動增益控制（AGC）是對放大器的增益進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的過程。為了使隨輸入信號電平變化而引起的輸出信號變化少，這樣輸入不同幅值的電壓就可以得到相同量的輸出，從而相當(dāng)于調(diào)節(jié)放大器增益。電路基本原理是在輸出端VOUT接入由三極管構(gòu)成的檢波電路，輸出一個和VOUT成比例的電流，經(jīng)電容電阻充放電轉(zhuǎn)換成電壓，用改該電壓反饋回去加到增益控制端VG，就可以起到穩(wěn)幅的效果，明顯此處為負(fù)反饋。電路原理圖如圖3所示[4]。

圖3 自動增益原理圖Fig.3 Automatic gain schematics

由于三極管非線性，RC充放電電路等隨頻率改變而改變，固電路的具體參數(shù)由輸入信號的幅度與頻率的不同而需現(xiàn)場調(diào)整。

1.4 電源模塊

由于該設(shè)計要求高頻噪聲小，電源的要求很高，因為開關(guān)電源一般有較大的高頻分量，固電源采用線性降壓方案，由變壓器降壓部分、全波整流，濾波部分、穩(wěn)壓部分組成，電路原理圖如圖4所示。采用LM317，7812，7805，分別提供正可調(diào)，+12 V，+5 V 電源；LM337，7912，7905 分別提供負(fù)可調(diào)，-12 V，-5 V電源。為整個系統(tǒng)提供±5 V或者±12 V電壓和2～20 V可調(diào)直流輸出，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡單，都采用三端穩(wěn)壓管實現(xiàn)，故不作詳述[5]。

圖4 電源原理圖Fig.4 Power supply schematic

2 系統(tǒng)安裝調(diào)試

在安裝調(diào)試過程中，遇到了幾個主要的問題：電路自激，直流偏置嚴(yán)重，噪聲較大。但通過不斷分析，調(diào)試，找原因并解決了：

1）由于VCA822的輸入失調(diào)電壓為10 mV級，失調(diào)電流為μA級，因此在各級輸出端可能出現(xiàn)直流偏置，因此，采用各級之間加入交流耦合電容進(jìn)行隔直來消除直流的影響。

2）由于本系統(tǒng)中的運放OPA690采用的負(fù)反饋均運放單級反饋，故應(yīng)注意使每級運放自身產(chǎn)生的附加相移φa＜180°。在電路調(diào)試過程中，對于電壓反饋型運放OPA690，我們可以引入電阻、電容，且在f0處產(chǎn)生的附加相移ΔφB，若使得ΔφB+ΔφA+ΔφF≠Nπ（N 為奇數(shù)），則自激振蕩得以消除。 對于寬頻帶壓控增益放大器VCA822，我們特別注意了走線布局，如采用雙面板，采用一面作為地線層，采用貼片元件；注意各級元件的合理布局布線；與函數(shù)發(fā)生器連接的輸入信號采用屏蔽線頭[6]。

3）同時，本系統(tǒng)的信號非常小，要求輸入電壓有效值Ui≤1 mV，因而，應(yīng)合理地采取抗干擾措施來提高放大器的穩(wěn)定性，系統(tǒng)全部采用印制板，減小了寄生電容和寄生電感的影響；采用銅板大面積接地，減小地回路；級間采用同軸電纜相連，避免級間干擾和高頻自激。

4）為了提高高頻放大器的穩(wěn)定性，在對VCA822的設(shè)計中，我們特別注意了電阻值的合理取值，因為其外圍的每一個電阻的取值都會影響其工作的穩(wěn)定性。

3 設(shè)計結(jié)果

Ui=1 mV 條件下，測得 Av（max）=68 dB。

表1 測試儀器表Tab.1 Test equipment

Av=60 dB條件下，測得放大器的通頻帶為50 kHz～40 MHz。

Av=60 dB條件下，將輸入端短路，測得輸出端噪聲電壓峰峰值UoNpp=270 mV。

輸出波形無明顯失真的條件下，測得最大輸出正弦波電壓有效值Uo=1.76 V。

4 設(shè)計總結(jié)與展望

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)的設(shè)計難度在于高頻帶寬范圍內(nèi)，實現(xiàn)高增益放大，系統(tǒng)容易產(chǎn)生自激。該電路方案實現(xiàn)了放大倍數(shù)68 dB，帶寬從50 kHz-40 MHz，噪聲電壓小。設(shè)計得到以下設(shè)計與展望：

1）由于我們現(xiàn)有的儀器條件限制，信號幅度輸出小時噪聲大，造成輸出波形噪聲較大。

2）放大器的增益最大可達(dá)70 db，但超過70 db后放大器容易出現(xiàn)自激振蕩，如改善電路加入補償放大倍數(shù)還可以提升。

3）放大器最大輸出幅度峰峰值可達(dá)5 V，在驅(qū)動負(fù)載時，通頻帶超過40 MHz，帶內(nèi)失真小，但帶內(nèi)衰減較大，主要是由于最后一級OPA690放大高頻特性限制，如果繼續(xù)改善補償電路，可將通頻帶內(nèi)起伏控制得更小，并繼續(xù)拓寬帶寬。

4）通過設(shè)計，調(diào)試，分析，我們給出了壓控運放VCA822的外圍電路設(shè)計方法，消除自激方法，及輸出控制方法。這也是本文的價值所在。

5 實物展示

系統(tǒng)實物圖如圖5所示。

6 結(jié) 論

本研究通過對寬帶高增益放大器的設(shè)計，說明了寬頻帶，高增益放大器是設(shè)計關(guān)鍵在于減小高增益低頻的噪聲，消除高增益高頻的自激，通過理論分析與實踐經(jīng)驗，解決了降低噪聲、消除自激的電路設(shè)計方法，為寬頻帶，高增益放大器的設(shè)計提供了指導(dǎo)。

圖5 系統(tǒng)實物Fig.5 Physical of system

[1]朱穎，何樂年，嚴(yán)曉浪.高速高增益運算放大器的設(shè)計及應(yīng)用[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報，2008，13（2）：32-35.

ZHU Ying，HE Le-nian，YAN Xiao-lang.High-speed highgain op amp circuits and systems design and application[J].Circuits and Systems，2008，13（2）：32-35.

[2]Texas Instruments.VCA822 Wideband，＞40dB Gain Adjust Range，Linear in V/V VARIABLE GAIN AMPLIFIER[EB/OL].[2007].http:www.ti.com.

[3]談雪梅，俞亞珍.寬帶可控增益放大器的設(shè)計[J].常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008，12（3）；32-34.

TAN Xue-mei，YU Ya-zhen.Broadband controllable gain amplifier design[J].Changzhou Light Industry Vocational Technical College，2008，12（3）：32-34.

[4]沈偉慈.通信電路[M].2版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[5]康華光，陳大欽，張林.電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[6]閆穩(wěn)，王梅，張楨.一種高速運算放大器電路自激振蕩機理分析與改善方法[J].通信電源技術(shù)，2010，27（4）:27-31.

YAN Wen，WANG Mei，ZHANG Zhen.A high-speed operational amplifier circuit self-oscillation mechanism analysis and improvement of methods of communication power supply technology[J].Telecom Power Technologies，2010，27（4）:27-31.

Based on broadband high-gain amplifier design

CHEN Liang-ming，YANG Kun
（Southwest Jiaotong University， Chengdu 611756， China）

This paper describes an approach based on integrated operational amplifier for wideband high gain amplifier，this system creative use two wideband voltage controlled amplifier VCA822， with wideband op amp OPA690， completed a passband 50 kHz～40 MHz， 0～68 db adjustable gain broadband high-gain amplifiers.Amplifier noise， the pass band range， a large maximum magnification level after adding the switching manual switching automatic gain control circuit module power down module is made.System uses a variety of ways to eliminate the high-gain，high-frequency self-excited.Amplifier input and output impedances are 50 Ω，convenient and front stage circuit match.

VCA822；VCO gain；AGC；broadband amplifier

TN721.1

A

1674-6236（2014）15-0146-03

2013-12-02 稿件編號：201312007

陳亮名（1993—），男，湖南邵陽人。研究方向：自動化。