直流宽带放大器设计
摘 要本文以“直流宽带放大器”作为研究对象，设计了一款能够实现100MHz频率输入范围的放大器系统，该系统不仅能够实现交流信号放大，更能够对直流信号进行放大，在输出方面，输出电压摆动范围可以达到3V峰峰值，能够非常稳健的对50欧姆负载进行驱动，并且能够实现最大90mA的电流输出。在输入输出阻抗上，为了与常用的射频器件相兼容，将阻抗值设定在50欧姆，这样在将该放大器其他射频系统进行信号放大时，能够以最小的射频信号反射量进行增益。值得一提的是，本放大器系统能够实现手动的增益控制，控制精度可以达到0.01dB的变化，另外本文通过Multisim仿真软件实现了对该直流宽带放大器的仿真，通过该平台设计了一个该放大器的软件文件，通过运行可以直接看到放大器系统的实际现象。
目 录
一、引言 1
二、方案选择及元器件介绍 2
（一）各级放大器设计方案论证 2
（二）THS3201型运算放大器设介绍 2
（三）VCA821压控增益放大器 3
（四）LM7805三端稳压芯片 4
（五）LM7905稳压芯片 5
三、硬件系统设计 5
（一）硬件系统原理框图设计 5
（二）VCA821压控增益放大器电路设计 6
（三）THS3201运放的同相比例放大电路设计 7
（四）LM7805稳压芯片电路设计 8
（五）LM7905稳压芯片电路设计 8
四、PCB设计 9
（一）前置放大级PCB设计 11
（二）压控增益级PCB设计 12
五、系统系统设计 14
（一）Multisim仿真软件介绍 14
（二）仿真系统设计 15
六、总结 18
参考文献 20
致谢 21
附录一 原理图 22
附录二 PCB 23
一、引言
放大器指的是电子学领域中用于实现小信号的功率或者电压幅度放大的一种电子模块，如果按照输出信号与输入信号在频率上的差别，那么可以将其分成线性放大器和非线性放大器，两者的主要区别在于线性放大器输出的放大信号频
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
率与输入信号一致，不会出现新的频率信号；而非线性放大器的输出信号中则出现了许多新的频率分量，这些频率分量大多是输入信号的高次谐波，考虑到大学期间对于模拟电子技术的知识掌握程度，本文主要对非线性放大器做主要研究。放大器在电子技术出现之时就已经被广泛使用了，它是信号处理、数据采集、微弱信号收集、航空航天、医学以及无线广播收发等领域的必要技术，然而不论在哪个领域，放大器所完成的任务都是对小信号或者微弱信号的电压电流幅度或者功率进行放大，以至于后续电路能够有效处理该信号，因此在漫长的发展过程中，涌现出了许许多多用于不同类型的放大器，如窄带放大器、宽带放大器、射频放大器、音频放大器以及锁相放大器等，其中窄带和宽带指的是放大器能够对多少频率范围的信号进行放大，窄带放大器只能放大一小段频率范围的信号，而宽带则能够放大很宽一段频率的信号，这里的宽窄并不是指放大器的性能优劣。随着大规模集成电子技术的飞速发展，将成千上万个电阻电容以及晶体管集成在一个黄豆粒大小的半导体材料上已经成为了模拟电子技术的发展新道路，通过这种技术，射频放大器等一些对于元器件的距离以及安装方式等有严格要求的模拟电子线路，通过集成芯片就完美地解决了稳定性以及频域性能问题，在当今国内外的半导体界，德州仪器以及亚德诺等一些半导体生产大头，每年正不断地向世界推出他们的最新技术，这其中就包括一些高性能放大器芯片，本文主要以德州仪器公司的最新型技术芯片来设计了一款直流宽带放大器系统。
半导体技术虽然起源于国外并在国外发展成熟，但是在传入过内后不久就迅速引起了一些专业工程师以及一些非专业人士的青睐，这其中最典型的代表就是当时的晶体管收音机，那时候其实国内许多厂家就已经能够生产一些高性能的晶体管了，将这些晶体管配合外部的电阻电容网路就能够实现小信号的放大，这是最初的放大器典型特征——采用分立元件并且频率特性较差。而随着技术的不断发展，目前国外的大型半导体公司推出的放大器芯片频率范围能够达到数GHz,，而国内一些厂家也能够生产出上GHz的运算放大器来，虽然稳定性以及成本还落后于国外，但是这相对于刚起步阶段已经有了大大的进步。
本文以直流宽带放大器作为研究课题，设计了一款能够手控增益的放大器系统，通过器件选择、电路设计以、PCB设计以及系统仿真，最终实现了如下指标：
1、输入输出阻抗为50欧姆；
2、最大增益为60dB，并且可以实现增益的手动调节，调节范围为0至60dB；
3、输入信号最大值为1mV有效值，输出最大为1V峰峰值；
4、放大器—3dB带宽为100MHz，能够实现直流信号放大；
5、输出噪声有效值小于50mV。
二、方案选择及元器件介绍
（一）各级放大器设计方案论证
方案一：选用集成芯片来设计放大器线路，以各大厂商的高速运放（主要是电流反馈型运放）作为主要芯片，通过对运放构建负反馈电路来进行信号的固定增益，这样不但能够获得极高的稳定性，不易产生自激振荡现象，并且通过负反馈，运放电路能够很轻松地实现100MHz的小信号放大。而增益控制功能则选用压控增益型放大器芯片，这种集成芯片只需要一个压值大小可以改变的直流电压即可轻松方便地实现增益的控制，无需对芯片内部电路结构和参数进行改动，大大增加了系统的稳定性。
方案二：选用特征频率（该参数决定了晶体管的频率特性，即最多能对多高的频率进行放大）非常高的射频晶体管结合电阻电容来搭建放大器电路，这种方案的优点是成本非常低，并且噪声性能好，然而由于采用的全是分立元件，射频信号的耦合通道非常多，寄生参数非常大，因此如果没有过硬的设计本领，基本没有可能完成本系统的设计目标。在增益控制方面，通过改变晶体管的直流工作点来改变晶体管的电流放大特性，从而使放大器的增益发生改变，这种方法需要复杂的电路才能完成，并且频域特性不太好。
因此综合上述两个观点来看，方案一最适合本课题使用，经过网上查阅资料以及对比，最终选择了当今技术最为先进的几款芯片来设计本系统。
（二）THS3201型运算放大器设介绍
本系统选用THS3201型运算放大器作为系统的前置放大模块，由于THS3201型运放具有噪声增益低并且高增益稳定性等特点，因此常常被用于放大系统的最前端，实现对微弱信号的前置放大，降低系统整体的噪声大小。所谓运算放大器是指一种具有成千上万倍放大倍数的放大器，之所以称其为运算放大器是因为在使用这种电路模块时通过简单的计算能够实现稳定的增益，犹如电路具有运算功能一般，运算放大器最早用于电脑中的加减法以及微积分运算，后来随着研究者不断地研究，运算放大器的性能得到了不断地提高，并且在多种领域得到应用。由于运算放大器的自身放大倍数非常高，因此如果直接使用则得不到理想的效果，必须配合负反馈电路才能够将电路的放大倍数稳定在一个稳定的预期值，目前在运放中常用的负反馈电路有同相和反相放大两种，同相比例放大电路由于能够更好的控制放大电路的输入阻抗，因此本系统将THS3201配置成同相比例放大形式，下图1为THS3201运算放大器的一种常见封装形式，该款芯片由美国德州仪器（TI）公司推出，是一种8脚的小体积贴片封装。
目 录
一、引言 1
二、方案选择及元器件介绍 2
（一）各级放大器设计方案论证 2
（二）THS3201型运算放大器设介绍 2
（三）VCA821压控增益放大器 3
（四）LM7805三端稳压芯片 4
（五）LM7905稳压芯片 5
三、硬件系统设计 5
（一）硬件系统原理框图设计 5
（二）VCA821压控增益放大器电路设计 6
（三）THS3201运放的同相比例放大电路设计 7
（四）LM7805稳压芯片电路设计 8
（五）LM7905稳压芯片电路设计 8
四、PCB设计 9
（一）前置放大级PCB设计 11
（二）压控增益级PCB设计 12
五、系统系统设计 14
（一）Multisim仿真软件介绍 14
（二）仿真系统设计 15
六、总结 18
参考文献 20
致谢 21
附录一 原理图 22
附录二 PCB 23
一、引言
放大器指的是电子学领域中用于实现小信号的功率或者电压幅度放大的一种电子模块，如果按照输出信号与输入信号在频率上的差别，那么可以将其分成线性放大器和非线性放大器，两者的主要区别在于线性放大器输出的放大信号频
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
率与输入信号一致，不会出现新的频率信号；而非线性放大器的输出信号中则出现了许多新的频率分量，这些频率分量大多是输入信号的高次谐波，考虑到大学期间对于模拟电子技术的知识掌握程度，本文主要对非线性放大器做主要研究。放大器在电子技术出现之时就已经被广泛使用了，它是信号处理、数据采集、微弱信号收集、航空航天、医学以及无线广播收发等领域的必要技术，然而不论在哪个领域，放大器所完成的任务都是对小信号或者微弱信号的电压电流幅度或者功率进行放大，以至于后续电路能够有效处理该信号，因此在漫长的发展过程中，涌现出了许许多多用于不同类型的放大器，如窄带放大器、宽带放大器、射频放大器、音频放大器以及锁相放大器等，其中窄带和宽带指的是放大器能够对多少频率范围的信号进行放大，窄带放大器只能放大一小段频率范围的信号，而宽带则能够放大很宽一段频率的信号，这里的宽窄并不是指放大器的性能优劣。随着大规模集成电子技术的飞速发展，将成千上万个电阻电容以及晶体管集成在一个黄豆粒大小的半导体材料上已经成为了模拟电子技术的发展新道路，通过这种技术，射频放大器等一些对于元器件的距离以及安装方式等有严格要求的模拟电子线路，通过集成芯片就完美地解决了稳定性以及频域性能问题，在当今国内外的半导体界，德州仪器以及亚德诺等一些半导体生产大头，每年正不断地向世界推出他们的最新技术，这其中就包括一些高性能放大器芯片，本文主要以德州仪器公司的最新型技术芯片来设计了一款直流宽带放大器系统。
半导体技术虽然起源于国外并在国外发展成熟，但是在传入过内后不久就迅速引起了一些专业工程师以及一些非专业人士的青睐，这其中最典型的代表就是当时的晶体管收音机，那时候其实国内许多厂家就已经能够生产一些高性能的晶体管了，将这些晶体管配合外部的电阻电容网路就能够实现小信号的放大，这是最初的放大器典型特征——采用分立元件并且频率特性较差。而随着技术的不断发展，目前国外的大型半导体公司推出的放大器芯片频率范围能够达到数GHz,，而国内一些厂家也能够生产出上GHz的运算放大器来，虽然稳定性以及成本还落后于国外，但是这相对于刚起步阶段已经有了大大的进步。
本文以直流宽带放大器作为研究课题，设计了一款能够手控增益的放大器系统，通过器件选择、电路设计以、PCB设计以及系统仿真，最终实现了如下指标：
1、输入输出阻抗为50欧姆；
2、最大增益为60dB，并且可以实现增益的手动调节，调节范围为0至60dB；
3、输入信号最大值为1mV有效值，输出最大为1V峰峰值；
4、放大器—3dB带宽为100MHz，能够实现直流信号放大；
5、输出噪声有效值小于50mV。
二、方案选择及元器件介绍
（一）各级放大器设计方案论证
方案一：选用集成芯片来设计放大器线路，以各大厂商的高速运放（主要是电流反馈型运放）作为主要芯片，通过对运放构建负反馈电路来进行信号的固定增益，这样不但能够获得极高的稳定性，不易产生自激振荡现象，并且通过负反馈，运放电路能够很轻松地实现100MHz的小信号放大。而增益控制功能则选用压控增益型放大器芯片，这种集成芯片只需要一个压值大小可以改变的直流电压即可轻松方便地实现增益的控制，无需对芯片内部电路结构和参数进行改动，大大增加了系统的稳定性。
方案二：选用特征频率（该参数决定了晶体管的频率特性，即最多能对多高的频率进行放大）非常高的射频晶体管结合电阻电容来搭建放大器电路，这种方案的优点是成本非常低，并且噪声性能好，然而由于采用的全是分立元件，射频信号的耦合通道非常多，寄生参数非常大，因此如果没有过硬的设计本领，基本没有可能完成本系统的设计目标。在增益控制方面，通过改变晶体管的直流工作点来改变晶体管的电流放大特性，从而使放大器的增益发生改变，这种方法需要复杂的电路才能完成，并且频域特性不太好。
因此综合上述两个观点来看，方案一最适合本课题使用，经过网上查阅资料以及对比，最终选择了当今技术最为先进的几款芯片来设计本系统。
（二）THS3201型运算放大器设介绍
本系统选用THS3201型运算放大器作为系统的前置放大模块，由于THS3201型运放具有噪声增益低并且高增益稳定性等特点，因此常常被用于放大系统的最前端，实现对微弱信号的前置放大，降低系统整体的噪声大小。所谓运算放大器是指一种具有成千上万倍放大倍数的放大器，之所以称其为运算放大器是因为在使用这种电路模块时通过简单的计算能够实现稳定的增益，犹如电路具有运算功能一般，运算放大器最早用于电脑中的加减法以及微积分运算，后来随着研究者不断地研究，运算放大器的性能得到了不断地提高，并且在多种领域得到应用。由于运算放大器的自身放大倍数非常高，因此如果直接使用则得不到理想的效果，必须配合负反馈电路才能够将电路的放大倍数稳定在一个稳定的预期值，目前在运放中常用的负反馈电路有同相和反相放大两种，同相比例放大电路由于能够更好的控制放大电路的输入阻抗，因此本系统将THS3201配置成同相比例放大形式，下图1为THS3201运算放大器的一种常见封装形式，该款芯片由美国德州仪器（TI）公司推出，是一种8脚的小体积贴片封装。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jsj/wlw/601.html
