1、本科毕业设计学 院 专 业 年 级 姓 名 设计题目 宽带低噪声放大器设计 指导教师 职称 *年 * 月 * 日学号目 录摘要 .1Abstract. .11 概述 .12 低噪声放大器设计的原理 .22.1 噪声系数 .22.2 低噪声放大器的功率增益以及分配电压增益 .22.3 端口驻波比 .32.4 工作带宽与增益平坦度 .32.5 动态范围以及压缩点 .42.6 三阶截断点 .42.7 低噪声放大器的稳定性 .43 器件的选择 .53.1 放大器的选择 .53.2 放大器的介绍 .53.3 电源的供电 .53.4 选用器件的介绍 .54 模拟电路设计 .64.1 方案选择 .64.2
2、模拟电路设计 .64.3 电源电路 .75 电路的调试 .85.1 调试过程 .85.2 测试结果 .85.3 系统的改进措施 .116 总结 .11参考文献 .120宽带低噪声放大器设计学生姓名：* 学号：*学 院： 专业： 指导老师： 职称：摘 要：本文介绍了一个 15V 单电源供电的低噪声放大器设计，设计采用三级级联的方式。该系统主要是宽带低噪声放大器，为了满足要求，采用了高速运算放大器 a741 作为前两级放大，末级用 CA3140 作为功率放大电路。测试结果表明，放大倍数为 100 倍，带宽有 1MHz。关键词：a741；放大器；带宽；噪声系数The design of the lo
3、w noise amplifier with broadbandAbstract: This article describes the design of a single 15V power supply and low noise amplifier. The system has three amplifier consisted ofa741 and CA3140, which meet the requirements of broadband and low noise. Test results show that a amplifier with bandwidth 1MHz
4、 is 100 times.Keywords: a741 ；amplifier ；Bandwidth；noise figure1 概述我们知道低噪声放大器是射频电路的重要组成部分，并且在有源滤波器等电子电路当中宽带低噪声放大器起着重要作用。而且在射频微波电路当中，放大器也起着重要作用，它的好坏直接决定了射频微波电路的功能的实现，具有很重要的现实意义，所以在制做低噪声放大器的时候我们要注意它的各项指标是否能够达标。除此之外，我们知道随着社会的发展，以及各项科学技术的发展，对通信带宽的要求也越来越宽因此各种通信设备在宽频带上的工作要求不再是以前的一个或者几个频点。由于我国对放大器设计的技术相对来说
5、还不算很先进，所以更需要后起之秀对放大器设计进行进一步的探索和研究。随着时代的发展，人们对通信质量的要求也更高，其中包括要使工作频率更高、工作频率更宽以及噪声系数更小，这已经成为各项科学技术设备发展的趋势。本文介绍了一种比较简单易行的宽带低噪声放大器设计方法。本设计利用具有低噪声，高速运算的放大器 a741，以及 DC-DC 交换器 TPS61087DCR 作为此宽带的噪声放1大器设计的核心。希望这个系统能够实现通频带为 10MHz,电压增益为 40dB，负载为 50 欧姆时，所输出电压峰峰值是 12V 等等这些指标。此方法在设计过程中容易实现，并且所需成本比较低，对设计宽带低噪声放大器可谓是
6、一种不错的方法。2 低噪声放大器设计的原理2.1 噪声系数在射频微波系统当中，噪声不仅包括外部环境所产生的噪声也包括电路自身产生的噪声两个部分。放大器的噪声系数可用 NF 来表示，它的定义式如（2-3）所示。（2-1 ）1iniMSN（2-2）2outt（2-3）F其中，输入端口的信号功率用 表示，输入噪声功率用 表示；输出端口的inSinN信号功率用 表示，输出噪声功率用 表示。信号功率与噪声功率的比值也就是outSoutN放大器的信噪比，噪声系数也就是输入信噪比与输出信噪比的比值。上面式子的物理意义就是：如果信号通过放大器之后，因为存在噪声就会得到不同的信噪比，从而信噪比就会下降，下降的倍
7、数就是噪声系数。2.2 低噪声放大器的功率增益以及分配电压增益功率增益是本设计的一个重要指标。其中在很多设计当中每一步都有很多种对功率增益的定义，而且每一种定义都会给出关于放大器性能的一些信息，每次设计都可以根据不同的指标设计出合适的放大器类型。一般情况下的定义以及使用的定义有三种功率增益：一种是工作功率增益即 G= ，此式子表示传送到负载的功率与传到二端avnlp口网络的输入端的功率的比值。另一种是可用功率增益即 G= ，此式子表示二端口网络的可用功率与源avsnP的可用功率的比所得到的结果。最后一种是转换功率增益即 G= ，此式子表示传送到负载的功率比上来avsl自源的可用功率所得的结果。
8、这些都是对增益的度量，对计算具有更好的计算结果。对于多级放大电路的分配电压增益，它的上限频率与组成它的各级放大级上的上限频率之间存在一定的近似关系，这个近似关系如下所示：若将两个相同的频率2特性信号输入放大器，其中每一级的上限频率是 fh1，那么两级放大电路的总的上限频率是 fh=0.64fh1；如果将三个相同的频率特性的放大级组成放大电路，其中每一级的上限频率是 fh1，那么三级放大电路总的放大频率上限是 fh=0.5fh1。所以要想使级联时不会有太多的频率衰竭，就必须要合理的调整各级的放大倍数。在此实验中，在最佳的环境下通过调节单运放 ua741 放大电路，在放大通道的正弦信号输入电压幅度
9、为 5-200mV，带宽为 50-10000Hz。2.3 端口驻波比放大器的输入端口和输出端口与系统特性阻抗的匹配程度由这两个端口的电压驻波比公式如下：VSWR= （2-4）T1微波低噪声放大器通常情况下采用 50 欧姆作为特性阻抗。由（2-4 ）式可以知道，端口驻波比总是大于等于 1 的，当 T=0，也就是当零反射时，VSWR 最小为 1，此时端口的匹配是最好的。低噪声放大器具有两个重要指标，即噪声系数和功率增益。一个是在输入端口按照最佳噪声来设计的，另一个是在输出端口功率的最大来设计的，这两者是会互相影响的，其结果也必然会导致驻波比不会在最佳的共轭匹配点上，或者噪声匹配不会在最佳点上，所以
10、低噪声放大器设计经常是在噪声系数与驻波比也就是说功率增益间的权衡。2.4 工作带宽与增益平坦度对于理想的微波低噪声放大器我们希望在工作频带内具有相等的增益以及较好的输入匹配和较小的噪声系数。我们在前面说过，共轭匹配只能在相对较窄的带宽上给出最大的增益，然而对于最大的增益来说它的设计将提高增益的带宽，不过放大器的输入以及输出匹配就会变得很差，这些问题主要是由于典型的微波晶体管和50 欧姆特性阻抗是不好匹配的，因此要想拓宽带宽就必须以降低增益为代价来进行。增益平坦度的定义是指在给定的带宽范围内的增益的最大值减去最小值，也就是说这个范围内值的差，这以分贝来衡量。2.5 动态范围以及压缩点低噪声放大器
11、输入信号要求的最小功率和最大功率的最大功率范围就是宽带低噪声放大器的输入信号动态范围。这些定义也就是说当某一个信号通过放大器的时3候，如果功率比较小的时候，那么放大器的噪声就会把它覆盖，这样将得不到输出信号；如果信号的功率过大的时候，当它大于放大器的线性指标的时候，放大器就不会将继续线性的放大信号，而是会有下降到饱和的趋势，这个时候输出信号就会失真。如果能够看到压缩点从理论上的并且比较理想状态的输出功率特性曲线上下降了 1dB 压缩点，那么这个下降到 1dB 的功率电平所得到的结果就是 1dB 压缩点，这样做的目的是为了定量规定一个放大器的动态范围，这个定义与所要讲的三阶截断点都是评判一个放大
12、器非线性特性的重要的参考依据。2.6 三阶截断点通常可以用 1dB 压缩点和三阶互调截点这两个指标来衡量放大器非线性特性。当两个频率相近的信号 f1 以及 f2 同时一起输入到放大器的时候，因为放大器的非线性特性，将会产生许多组合的频率分量，在这些分量当中，2f1-f2 和 2f2-f1是其中最接近基频信号的，从而会落到通频带内以至于很难消除，进而会引起输出信号的失真。例如，当 f1=1KHz,f2=1.2KHz,则经过计算可得 2f1-f2=0.2KHz，2f2-f1=0.4KHz。当三阶互调功率同和基波功率相等时的点就是三阶截断点。通常情况下三阶截断点 P3 要比 1dB 压缩点 P1 大
13、 12-15dB。2.7 低噪声放大器的稳定性在低噪声放大器设计的重要特性当中，稳定性是它的重要特性之一，如果低噪声放大器电路的性能不够稳定时就会产生振荡。通常情况下这不是一个在恒定的振幅和恒定的频率下的恒定的振荡，事实上是一个混乱的响应，而振荡器的设计当然也不是简单的设计一个不稳定的放大器。我们知道没有一个简单的度量可以来表示一个放大器是不是稳定的。既然稳定的条件是复杂的，但是如果我们考虑在无论多少负载以及输出网络匹配的情况下，输入端它都是稳定的；同理，无论源以及输入网络的匹配情况是多少的情况下，输出端也都是稳定的。自激振荡对于我们了解放大器的稳定性具有重要作用。由于信号在通过反馈回路以及运
14、放的过程中产生附加相移从而产生自激振荡。这个附加相移包括高频段产生的也包括低频段产生的，我们分别用 1，2 表示。当输入某一个信号为频率 fo，在这里使 12=n,在这里 n 为奇数，反馈量会使输入量增大，此时电路会产生正反馈。对于电压反馈型 ua741 我们要人为地加入电阻电容，他们就会在 fo 处产生附加4相移 3，如果 32n（n 为奇数），那么自激振荡就会消失。3 器件的选择3.1 放大器的选择在此我们选用高速运算放大器 a741 作为前两级放大电路，ca3140 作为最后一级放大电路。3.2 放大器的介绍高速运算放大器 a741 是一款低噪声作为增益放大器，电压负反馈的运算，其输入噪
15、声为 ,其宽带为 240MHz，输出电流能够达到 110mA。对于 ca3140HZnv5.2放大电路，它是一款高速宽带放大器，作为功率放大器，其输入噪声为 ，HZnv2其通频带从 0 到 210MHz，并且可以提供电流的输出。3.3 电源的供电本设计采用单电源供电，用这种方式进行输入，不需要加入直流输入的成份，此供电电源的静态工作电压是在 0V，因此电压的动态范围非常大，比较接近电源。本设计的总体设计图如下：图 1 系统设计框图3.4 选用器件的介绍(1) a741 是单运放放大器，也属于双电源供电电路，但也可以用于单电源供电，那么此时将要求将集成运放组成的交流放大器设计成单电源供电方式。(
16、2)ca3140 是高精度低失调电压的精密运放集成电路，用于微弱信号的放大，如果使用双电源，能达到最好的放大效果,但也可以用于单电源供电。(3)TPS61087 具有强制 PWM 模式的 18.5V、3.2A、652KHZ1.2MHZ 升压的DC-DC 转换器。(4)L7805 是我们常用到的稳压芯片，使用方便，用很简单的电路即可输入一个输入 Vi a741前级放大 a741中级放大 CA3140 末级放大输出 VoTPS6108715VDC-DC 交换器5直流稳压电源，它的输出恰好是 5V。4 模拟电路设计4.1 方案选择方案一：为了能够实现至少为 40dB 的增益调节，也可以使用 DA 高
17、速乘法器型来实现。可以使用转换器 DA 的数字量的输入端控制传输衰减来实现增益的控制。这个方案可以说是简单易行并且精确度较高。但是通过实验可以知道它转化非线性误差比较大，并且宽带只有几千赫兹，同时当信号的频率较高时，系统较容易发生自激，所以此方案不宜选择。方案二：若采用分立元件，那么此方案就会使元器件成本降低，但是不宜实现，并且周期很长，尤其是在时间较短的情况下手工制作就会很难保证结果的可靠性以及达到相应的指标，所以不能够采用这个方案。方案三：本方案采用三级级联的方式，并且对每一放大级都提供 15V 的单电源供电。同时在每一放大级上都采用负反馈的方式进行。在本实验中我们应用 ua741作为前两
18、级放大电路，反馈电阻的选择决定了前两级都为 5 倍放大，最后一级我们采用的核心元件为 ca3140，负反馈接滑动变阻器，最终可使最后一级放大倍数为 4倍放大。在这个宽带低噪声放大器设计中要求的带宽为 1MHz，最终放大倍数为 100倍，电压增益为 40dB。那么这基本上是能够满足题目的要求的，并且这个方案的方法简单易行，系统过程实行起来也较简单,可采用。4.2 模拟电路设计图 2 三级放大电路的通频带通过进一步的设计和理论分析，又通过在软件上的仿真可以得到初步的结果。所得仿真结果如图 1 所示64.3 电源电路本设计需要一个 15V 的单电源。在这里介绍了 5V 和 15V 电源电路设计如图2
19、，图 3 所示。图 3 电源电路图（5V）为了得到 10V 的电压峰峰值的输出，在这里我们使用 DC-DC 变化器TPS61087DRC 可以将+5V 的电压转换为+15V，通过这样可以为末级放大电路提供电压。电路如图 3 所示：图 4 电源电路图（15V）4.4 放大电路对于放大电路的设计这里采用 a741 作为前两级放大电路，op07 作为此放大电路的最后一级放大电路。在这个放大电路当中对于末级放大电路可以通过两个可调电阻来控制放大倍数并且保证输出信号不失真。放大电路如下图 4 所示：7图 5 三级放大电路在一级放大电路中，我们的输入信号为电压峰峰值为 2.00mV 的正弦信号，对三级放大
20、电路采用 15V 的单电源供电，一级的输出信号可以在示波器上显示，通过调节输入信号的频率可以在示波器上显示输出信号在不失真情况下的下限频率和上限频率，此范围为 0-12KHz，并且可以观察到输出电压峰峰值为 1V，可以看出一级放大倍数为 50 倍，同理也调试出了二级三级的放大情况。二级放大电路情况同一级放大情况一样，在调试总的放大电路情况时，输入信号频率范围是 10-10MHz，并且调节输入信号电压的峰峰值，峰峰值调节范围是 0-100mV。调试结果在下文。5 电路的调试5.1 调试过程（1）使三级放大电路每一级的正电源端都分别连接+15V 电源，在三级放大器的第一级的输入端输入信号，也就是接上信号发生器，此信号可以为正弦信号，可通过调节输入信号的电压峰峰值以及频率范围来调节输出信号的变化。（2）为了检测输入信号的上限频率以及下限频率，可通过调节输入信号的频率看输出信号的最小频率失真以及最大频率失真，这个最大和最小的范围也就是它的截止频率范围，从而以此来测试通频带是否是平稳的。（3）通过上述过程，可分别记录不同情况下输出信号的电压峰峰值，电压有效值以及频率范围。5.2 测试结果测试结果如表 1：输入电压 输出电压频率 f 峰峰值 峰峰值 有效值3Hz 20mv 1.6v 0.5v
