word文檔可自由復(fù)制編輯畢業(yè)設(shè)計（論文）寬帶直流可變增益放大器設(shè)計大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書題目寬帶直流可變增益放大器設(shè)計學(xué)生姓名學(xué)院名稱電子與信息工程學(xué)院專業(yè)班級電科課題類型實際課題課題意義隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，寬帶運算放大器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于A/D與D/A轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、積分器、精密比較器、波形發(fā)生器和視頻放大器等各種電路中。目前，寬帶放大器已經(jīng)可以實現(xiàn)可編程、高準確度、寬頻帶、高增益、低噪聲等指標，然而同時對于低頻以及直流信號則難以精密放大。為此，本文從增益和帶寬最優(yōu)化的角度出發(fā)，采用精密的TI運算放大器搭建了一個高精度、高性能的寬帶直流可控增益放大電路。任務(wù)與進度要求1.13~3.15查閱資料，通過仿真掌握放大器各項性能指標及基本原理3.16~3.31選定合適器件，完成放大器基本電路模塊設(shè)計4.1~4.20對設(shè)計模塊進行調(diào)試，使其基本滿足設(shè)計要求4.21~5.15對設(shè)計不完善的地方進行優(yōu)化，記錄分析處理數(shù)據(jù)5.16~6.2整理實驗設(shè)計結(jié)果，撰寫論文，準備答辯主要參考文獻[1]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).第四版,北京：高等教育出版社，2001.1[2]王國偉,施樹春.可編程寬帶運算放大器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2008，30(3)：378-385.[3]王啟軍等.寬帶直流放大器設(shè)計[J].江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2010,16(3)：32-34[4]王小利.寬帶直流放大器系統(tǒng)設(shè)計.電子器件，2010，33(3)：392-394起止日期2011.1.13~2011.6.2備注院長教研室主任指導(dǎo)教師畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告表2011姓名學(xué)院電子與信息工程學(xué)院專業(yè)電子科學(xué)與技術(shù)班級題目寬帶直流可變增益放大器設(shè)計指導(dǎo)教師一、與本課題有關(guān)的國內(nèi)外研究情況、課題研究的主要內(nèi)容、目的和意義：隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，寬帶運算放大器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于A/D與D/A轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、積分器、精密比較器、波形發(fā)生器和視頻放大器等各種電路中。目前，寬帶放大器已經(jīng)可以實現(xiàn)可編程、高準確度、寬頻帶、高增益、低噪聲等指標，然而同時對于低頻以及直流信號則難以精密放大。本課題的主要內(nèi)容是設(shè)計并制作一個寬帶高精度放大器，滿足如下預(yù)期要求：(1)電壓增益Av≥60dB，輸入電壓有效值Vi≤10mV。Av可在0~60dB范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。(2)最大輸出電壓正弦波有效值Vo≥10V，輸出信號波形無明顯失真。(3)3dB通頻帶0~5/10MHz可選；在0~4MHz或0~9MHz通頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB。通過本設(shè)計深刻理解放大器的各項性能指標，提高設(shè)計模擬電路系統(tǒng)的能力。二、進度及預(yù)期結(jié)果：起止日期主要內(nèi)容預(yù)期結(jié)果1.13~3.153.16~3.314.1~4.204.21~5.155.16~6.2查閱資料，通過仿真掌握放大器各項性能指標及基本原理選定合適器件，完成放大器基本電路模塊設(shè)計對設(shè)計模塊進行調(diào)試，使其基本滿足設(shè)計要求對設(shè)計不完善的地方進行優(yōu)化，記錄分析處理數(shù)據(jù)整理實驗設(shè)計結(jié)果，撰寫論文，準備答辯收集相關(guān)資料，通過運用tina等軟件仿真，掌握放大器電路原理，通過protel對電路模塊進行設(shè)計并進行調(diào)試與優(yōu)化處理，提高設(shè)計模擬電路系統(tǒng)的能力。完成課題的現(xiàn)有條件畢業(yè)設(shè)計學(xué)生已學(xué)完模擬電子等課程，因此具備了完成此課題的相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識；另外電科所在實驗室具備多臺計算機、工作站和EDA軟件等實驗環(huán)境，以及進行電路測試的示波器、信號發(fā)生器等實驗儀器。審查意見指導(dǎo)教師：年月日學(xué)院意見主管領(lǐng)導(dǎo)：年月日天津工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）進度檢查記錄題目寬帶直流可變增益放大器設(shè)計學(xué)生姓名學(xué)院名稱電子與信息工程學(xué)院專業(yè)班級班指導(dǎo)教師姓名指導(dǎo)教師職稱講師日期指導(dǎo)記錄3.1分析課題要研究的內(nèi)容，理解各項設(shè)計指標3.7查閱相關(guān)資料，理解基本原理，確定設(shè)計方案3.16學(xué)習(xí)TI-Tina仿真軟件，并學(xué)會用其分析放大器穩(wěn)定性4.1選定合適器件，購買相關(guān)元器件4.3運用TI-Tina分析電路前置放大級的頻率特性4.7完成前置放大級OPA2690的電路焊接，測試相關(guān)性能4.8對該模塊出現(xiàn)的自激振蕩問題進行深入分析和研究，并解決問題4.12完成可控增益放大電路VCA810模塊的仿真驗證，以及電路焊接4.14對可控增益放大電路進行測試4.18學(xué)習(xí)FilterSolutions軟件，設(shè)計課題需要的橢圓低通濾波器4.20完成5MHz和10MHz濾波器的設(shè)計與測試4.22運用TI-Tina完成功率放大器模塊仿真4.25完成后級功率放大器模塊的電路焊接、調(diào)試5.1對系統(tǒng)整體電路進行調(diào)試，分析測試數(shù)據(jù)，并進行優(yōu)化處理5.15在老師指導(dǎo)下，開始論文的撰寫。5.20對論文中的格式和內(nèi)容等問題進行修改，完成初稿，并繼續(xù)完善6.2打印論文，裝訂成冊天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱表（設(shè)計類）畢業(yè)設(shè)計題目寬帶直流可變增益放大器設(shè)計學(xué)生姓名學(xué)生班級指導(dǎo)教師姓名評審項目指標滿分評分選題能體現(xiàn)本專業(yè)培養(yǎng)目標，題目大小、難度適中；學(xué)生工作量飽滿，能得到較全面訓(xùn)練。10題目與生產(chǎn)、科研等實際問題結(jié)合緊密。10課題調(diào)研文獻檢索能獨立查閱文獻以及從事其它形式的調(diào)研，能較好地理解課題任務(wù)并提出實施方案；有分析整理各類信息從中獲取新知識的能力。15外文應(yīng)用能正確引用外文文獻，翻譯準確，文字流暢。5設(shè)計說明書（論文）設(shè)計圖紙（插圖）簡潔、規(guī)范、無差錯，設(shè)計欄目齊全合理，能正確使用國家標準單位。15設(shè)計說明書（論文）結(jié)構(gòu)嚴謹，表達清楚，文字通順，用語正確，基本無錯別字和病句，書寫格式符合規(guī)范。15能根據(jù)畢業(yè)設(shè)計目標進行實驗設(shè)計，對數(shù)據(jù)的運算及處理正確無差錯，對實驗結(jié)果的分析準確。20設(shè)計具有創(chuàng)新性或?qū)嵱脙r值。10合計100意見及建議評閱人簽名： 年月日天津工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）成績考核表學(xué)生姓名學(xué)院名稱電子與信息工程學(xué)院專業(yè)班級題目寬帶直流可變增益放大器設(shè)計1．畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師評語及成績：成績：成績：指導(dǎo)教師簽字：年月日2．畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會評語及成績：成績：成績：答辯主席（或組長）簽字：年月日3．畢業(yè)設(shè)計（論文）總成績：a.指導(dǎo)教師給定成績b.評閱教師給定成績c.畢業(yè)答辯成績總成績(a×0.5+b×0.2+c×0.3)word文檔可自由復(fù)制編輯摘要隨著通信技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，寬帶放大器在自動控制、測量技術(shù)、智能儀表、無線通信、移動電話、衛(wèi)星通信網(wǎng)等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，同時這些系統(tǒng)都對寬帶放大器的性能提出了很高的要求，高性能的寬帶放大器具有很重要的應(yīng)用價值。寬帶放大器的穩(wěn)定性是寬帶放大器技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵，深入分析放大器的穩(wěn)定性條件對于構(gòu)成各種電子系統(tǒng)具有十分重要的意義。 本系統(tǒng)以可控增益放大器VC810為核心，外加寬帶放大器OPA2690的配合，實現(xiàn)了增益可調(diào)的寬帶直流放大器。系統(tǒng)主要由四個模塊構(gòu)成：前置放大電路、可控增益放大電路、橢圓低通濾波器和后級功率放大電路。由VCA810構(gòu)成的可控增益放大電路能夠?qū)崿F(xiàn)80dB的增益調(diào)節(jié)范圍；后級功率放大電路由多個高速緩沖器BUF634并聯(lián)，擴大輸出電流，提升放大器的帶負載能力。為解決寬帶放大器的自激問題及減小輸出噪聲，本系統(tǒng)也采用了多種形式的抗干擾措施，抑制噪聲，改善放大器的穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：VCA810；寬帶放大器；可控增益；橢圓低通濾波器；功率放大ABSTRACTWiththedevelopmentofcommunicationtechnologyandmicroelectronicstechnology,thebroadbandamplifierhasbecomeincreasinglywidelyusedinautomaticcontrol,measurementtechnique,intelligentinstrument,wirelesscommunication,mobileandsatellitecommunicationnetworkandotherfields,wherethehighefficiency,highperformanceandhighreliabilitybroadbandamplifierisingreatdemand.Thestabilityofbroadbandamplifieristhekeyofthebroadbandamplifiertechnologicalapplication,soanalyzingthestabilityconditionoftheamplifierdeeplyhastheextremelyvitalsignificancetoconstituteavarietyofelectronicsystems. Adoptingthecontrollablegainamplifier-VCA810asthecoreandcombiningwithOPA2690,thissystemcanachieveabroadbanddcamplifierwithadjustablegain.Thesystemismainlyconstitutedbyfourblocks:pre-amplifiercircuit,controllablegainamplifiercircuit,ellipticlow-passfilterandthepoweramplifiercircuit.ConstitutedbyVCA810,thecontrollablegainamplifiercircuitcanrealize80dBofadjustablegainrange.Thepoweramplifiercircuitisinparallelwithanumberofhigh-speedbuffers-BUF634,expendinghigheroutputcurrentandenhancingloadcapacityofthewholesystem.Inordertosolvetheself-oscillationproblemoftheamplifierandreducetheoutputnoise,thesystemusesvariousformsofanti-interferencemeasurestoreducenoiseandimproveamplifierstability.Keywords:VCA810;broadbandamplifier;controllablegain;ellipticlow-passfilter;poweramplifier目錄第一章緒論 11.1研究背景 11.2課題設(shè)計意義 11.3課題設(shè)計要求 21.3.1設(shè)計主要指標 21.3.2設(shè)計說明 2第二章寬帶放大器及濾波器 42.1運算放大器的結(jié)構(gòu) 42.2運算放大器的關(guān)鍵參數(shù) 42.2.1運算放大器的直流參數(shù) 42.2.2運算放大器的交流參數(shù) 62.3寬帶放大器 92.4濾波器 92.4.1濾波器傳遞函數(shù) 92.4.2有源濾波器和無源濾波器比較 10第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計 113.1系統(tǒng)各模塊方案論證 113.1.1可控增益放大器 113.1.2功率放大電路 113.1.3穩(wěn)壓電源模塊 123.1.4無源低通濾波器 123.2系統(tǒng)總體方案描述 133.3理論分析計算 143.4系統(tǒng)各模塊電路設(shè)計 173.4.1前置放大電路 173.4.2可控增益放大電路 193.4.3低通濾波器 223.4.4功率放大電路 263.4.5穩(wěn)壓電源電路 283.5系統(tǒng)整體電路設(shè)計及仿真 29第四章系統(tǒng)測試及分析 324.1系統(tǒng)各級測試及分析 324.1.1前置放大電路測試及分析 324.1.2可控增益放大電路測試及分析 334.1.3濾波器測試及分析 354.1.4功率放大電路測試及分析 364.2總體電路測試與分析 374.3系統(tǒng)測試中問題分析與處理 394.3.1放大器自激振蕩問題 394.3.2偏置電壓問題 444.3.3測試增益減小問題 474.3.4濾波器增益問題 49結(jié)論 51參考文獻 52附錄 54附錄A英文資料 54附錄B中文翻譯 62謝辭 68word文檔可自由復(fù)制編輯第一章緒論1.1研究背景隨著通信技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，寬帶放大器在科研應(yīng)用中起著越來越重要的作用[1]。寬帶放大器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于A/D與D/A轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、積分器、精密比較器、波形發(fā)生器和視頻放大器等各種電路中[2]。寬帶放大器是音響、有線電視、無線通信等系統(tǒng)中必不可少的部分，寬帶通信技術(shù)的不斷發(fā)展對寬帶放大器的要求也越來越高。寬帶放大器以低噪聲、低非線性失真以及良好的匹配性等特點，成為現(xiàn)代無線接入技術(shù)和遠程通信系統(tǒng)中的一類極為重要的放大器。同時，寬帶放大器在自動控制、測量技術(shù)、智能儀表、無線通信、移動電話、衛(wèi)星通信網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、直播衛(wèi)星接收(DBS)、ITS通信技術(shù)、光傳輸系統(tǒng)及毫米波自動防撞系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[3]。此外，在無線通信、電子戰(zhàn)、電磁兼容測試和科學(xué)研究等領(lǐng)域，對射頻和微波寬帶放大器有著極大需求，且這些領(lǐng)域?qū)拵Х糯笃饕蟾鞑幌嗤貏e是在通信系統(tǒng)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的應(yīng)用中，對寬帶低噪聲和功率放大器的性能指標有著特殊要求。這些系統(tǒng)一般都要求放大器具有高增益、寬頻帶、低信號輸入和高信號輸出的特點。要同時滿足這些性能指標，對電路設(shè)計提出了很高的要求。因此，高性能的寬帶放大器有非常重要的應(yīng)用價值。1.2課題設(shè)計意義傳統(tǒng)寬帶放大器的設(shè)計主要采用分立元件，應(yīng)用場效應(yīng)管或三極管，采用多級放大電路實現(xiàn)。由于大量采用分立元件，電路比較復(fù)雜，工作點難以調(diào)整，增益控制和高帶寬均難以實現(xiàn)，尤其增益的定量調(diào)節(jié)非常困難，不可控因素較多造成了調(diào)試難度增大。此外，由于采用多級放大，電路穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象[4]。目前，寬帶放大器已經(jīng)可以實現(xiàn)可編程、高準確度、寬頻帶、高增益、低噪聲等指標，然而同時對于低頻以及直流信號則難以精密放大。為此，本文從增益和帶寬最優(yōu)化的角度出發(fā)，采用精密的TI運算放大器搭建了一個高精度、高性能的寬帶直流可控增益放大電路。1.3課題設(shè)計要求1.3.1設(shè)計主要指標該寬帶高精度放大器[5]滿足如下預(yù)期要求：(1)電壓增益Av≥60dB，輸入電壓有效值Vi≤10mV。Av可在0~60dB范圍內(nèi)手動連續(xù)調(diào)節(jié)。(2)最大輸出電壓正弦波有效值Vo≥10V，輸出信號波形無明顯失真。(3)3dB通頻帶0~5/10MHz可選；在0~4MHz或0~9MHz通頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB。(4)放大器的輸入電阻≥50Ω，負載電阻(50±2)Ω。(5)進一步降低輸入電壓提高放大器的電壓增益。(6)設(shè)計并制作滿足放大器要求所用的直流穩(wěn)壓電源。(7)在Av＝60dB時，輸出端噪聲電壓的峰－峰值VONPP≤0.3V。1.3.2設(shè)計說明(1)寬帶直流放大器幅頻特性示意圖如圖1-1所示。圖1-1幅頻特性示意圖(2)負載電阻應(yīng)預(yù)留測試用檢測口和明顯標志(3)放大器要留有必要的測試點。建議的測試框圖如圖1-2所示，可采用信號發(fā)生器與示波器/交、直流電壓表組合的靜態(tài)法或掃頻儀進行幅頻特性測量。圖1-2幅頻特性測試框圖第二章寬帶放大器及濾波器2.1運算放大器的結(jié)構(gòu)集成運算放大器的電路常可分為輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四個基本組成部分[6]，如圖2-1所示。圖2-1集成運放電路方框圖(1)輸入級：輸入級又稱前置級，它往往是一個雙端輸入的高性能差分放大電路。一般要求其輸入電阻高，差模放大倍數(shù)大，抑制共模信號的能力強，靜態(tài)電流小。輸入級是提高運算放大器質(zhì)量的關(guān)鍵部分。(2)中間級：中間級主要進行電壓放大，要求它的電壓放大倍數(shù)高，一般由共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。(3)輸出級：輸出級與負載相接，要求其輸出電阻低，帶負載能力強，能輸出足夠大的電壓和電流，一般由互補對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。(4)偏置電路：偏置電路的作用是為上述各級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點，一般由各種恒流源電路構(gòu)成。2.2運算放大器的關(guān)鍵參數(shù)2.2.1運算放大器的直流參數(shù)(1)輸入失調(diào)電壓Vos輸入失調(diào)電壓定義為集成運放輸出端電壓為零時，兩個輸入端之間所加的補償電壓。由于集成運放的輸入級電路參數(shù)不可能絕對對稱，所以當輸入電壓為零時，輸出并不為零。輸入失調(diào)電壓實際上反映了運放內(nèi)部的電路對稱性，對稱性越好，輸入失調(diào)電壓越小。輸入失調(diào)電壓是運放的一個十分重要的指標，特別是精密運放或是用于直流放大時。輸入失調(diào)電壓與制造工藝有一定關(guān)系，其中雙極型工藝（即標準硅工藝）的輸入失調(diào)電壓在±1~10mV之間；采用場效應(yīng)管做輸入級的，輸入失調(diào)電壓會更大一些。對于精密運放，輸入失調(diào)電壓一般在1mV以下。輸入失調(diào)電壓越小，直流放大時中間零點偏移越小，越容易處理，所以對于精密運放是一個極為重要的指標。(2)輸入失調(diào)電壓的溫度漂移（簡稱輸入失調(diào)電壓溫漂）dVos/dT：輸入失調(diào)電壓的溫度漂移定義為在給定的溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓的變化與溫度變化的比值。這個參數(shù)實際是輸入失調(diào)電壓的補充，便于計算在給定的工作范圍內(nèi)，放大電路由于溫度變化造成的漂移大小。一般運放的輸入失調(diào)電壓溫漂在±10~20μV/℃之間，精密運放的輸入失調(diào)電壓溫漂小于±1μV/℃。(3)輸入失調(diào)電流Ios輸入失調(diào)電流定義為當運放的輸出直流電壓為零時，其兩輸入端偏置電流的差值。輸入失調(diào)電流同樣反映了運放內(nèi)部的電路對稱性，對稱性越好，輸入失調(diào)電流越小。輸入失調(diào)電流是運放的一個十分重要的指標，特別是精密運放或是用于直流放大時。輸入失調(diào)電流大約是輸入偏置電流的百分之一到十分之一。輸入失調(diào)電流對于小信號精密放大或是直流放大有重要影響，特別是運放外部采用較大的電阻（例如10k或更大時），輸入失調(diào)電流對精度的影響可能超過輸入失調(diào)電壓對精度的影響。輸入失調(diào)電流越小，直流放大時中間零點偏移越小，越容易處理，所以對于精密運放是一個極為重要的指標。(4)輸入失調(diào)電流的溫度漂移（簡稱輸入失調(diào)電流溫漂）dIos/dT輸入偏置電流的溫度漂移定義為在給定的溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流的變化與溫度變化的比值。這個參數(shù)實際是輸入失調(diào)電流的補充，便于計算在給定的工作范圍內(nèi)，放大電路由于溫度變化造成的漂移大小。輸入失調(diào)電流溫漂一般只是在精密運放參數(shù)中給出，而且是在用于直流信號處理或是小信號處理時才需要關(guān)注。(5)開環(huán)增益Aol[6]運放的開環(huán)增益為輸出電壓變化與差分輸入電壓變化之比。該參數(shù)是在帶或不帶負載的條件下測得的。理想情況下，放大器的開環(huán)增益應(yīng)該是無窮大，而事實上，開環(huán)增益Aol要小于理想情況，其直流增益帶寬從95dB至110dB。在工作過程中，不同器件的開環(huán)增益之間的差異最高可達30%，因此使用放大器時最好將其配置為閉環(huán)系統(tǒng)，除非將放大器用作比較器。閉環(huán)系統(tǒng)的增益與電路中電阻的精度有關(guān)。在閉環(huán)系統(tǒng)中，可使用以下公式方便地定義開環(huán)增益誤差的影響：(2-1)該公式表明閉環(huán)系統(tǒng)輸出電壓的變化會使失調(diào)電壓產(chǎn)生較小的變化。失調(diào)電壓誤差會被閉環(huán)系統(tǒng)放大，產(chǎn)生增益誤差。(6)共模抑制比KCMR共模抑制比定義為當運放工作于線性區(qū)時，運放差模增益與共模增益的比值。共模抑制比是一個極為重要的指標，它表示了運放能夠能夠抑制共模輸入即模干擾信號的能力。由于共模抑制比很大（大多數(shù)運放的共模抑制比一般在數(shù)萬倍或更多），用數(shù)值直接表示不方便比較，所以一般采用分貝方式記錄和比較。一般運放的共模抑制比在80~120dB之間。2.2.2運算放大器的交流參數(shù)(1)3dB帶寬BW（開環(huán)帶寬）開環(huán)帶寬定義為，將一個恒幅的正弦小信號輸入到運放的輸入端，從運放的輸出端測得開環(huán)電壓增益從運放的直流增益下降3db（或是相當于運放的直流增益的0.707）所對應(yīng)的信號頻率。這用于小信號處理。(2)增益帶寬積GBW增益帶寬積GBW是開環(huán)增益與帶寬的乘積，對于電壓反饋的放大器來說，增益帶寬積是常數(shù)。1)電壓反饋型(VFB)運算放大器的增益和帶寬存在一定的關(guān)系：從對應(yīng)的波特圖上可以看出，從直流到由反饋環(huán)路的主極點決定的截止頻率fc之間，增益是恒定不變的，在該頻率以上，如果頻率升高一倍，增益就會減半。運算放大器的3dB帶寬就是fc，增益越高，帶寬越窄，帶寬增益積BW·Au=常數(shù)，Au為放大器放大的倍數(shù)。所以電路設(shè)計時應(yīng)在放大器的帶寬和增益之間進行折衷選擇。2)電流反饋型(CFB)運算放大器：在電流反饋運放中，開環(huán)響應(yīng)是輸出電壓對輸入電流的響應(yīng)。因此，與電壓反饋運放不同，電流反饋運放輸入和輸出之間的關(guān)系不是用增益表示，一般是用跨阻來表示，因此電流反饋運放也被稱為跨阻放大器。電流反饋運放的跨阻在500kΩ~1MΩ之間。(3)轉(zhuǎn)換速率（也稱為壓擺率）SR運放轉(zhuǎn)換速率定義為，運放接成閉環(huán)條件下，將一個大信號（含階躍信號）輸入到運放的輸入端，從運放的輸出端測得運放的輸出上升速率。由于在轉(zhuǎn)換期間，運放的輸入級處于開關(guān)狀態(tài)，所以運放的反饋回路不起作用，也就是轉(zhuǎn)換速率與閉環(huán)增益無關(guān)。轉(zhuǎn)換速率對于大信號處理是一個很重要的指標，對于一般運放轉(zhuǎn)換速率SR≤10V/μs，高速運放的轉(zhuǎn)換速率SR>10V/μs。目前的高速運放最高轉(zhuǎn)換速率SR達到6000V/μs，這用于大信號處理中運放選型。轉(zhuǎn)換速率示意圖如圖2-2所示。圖2-2轉(zhuǎn)換速率示意圖(4)建立時間tset建立時間定義為，在額定的負載時，運放的閉環(huán)增益為1倍條件下，將一個階躍大信號輸入到運放的輸入端，使運放輸出由零增加到某一給定值的所需要的時間。由于是階躍大信號輸入，輸出信號達到給定值后會出現(xiàn)一定抖動，這個抖動時間稱為穩(wěn)定時間。穩(wěn)定時間+上升時間=建立時間。對于不同的輸出精度，穩(wěn)定時間有較大差別，精度越高，穩(wěn)定時間越長。建立時間是一個很重要的指標，用于大信號處理中運放選型，建立時間示意圖如圖2-3所示。圖2-3建立時間示意圖(5)相位裕量[7]相位裕量是分析運算放大器穩(wěn)定性的一個重要參數(shù)，指閉環(huán)增益（Aol*beta，即運放的開環(huán)增益與反饋增益的乘積）帶寬中，在增益為0dB（單位增益）時的頻率點fc1對應(yīng)的相移與180°的相位差。如果系統(tǒng)的環(huán)路增益大于等于0dB且相移超過180°時，閉環(huán)的放大電路就會不穩(wěn)定產(chǎn)生振蕩，而相位裕量表明了距離產(chǎn)生自激振蕩的裕量大小，這也是相位裕量成為標志運算放大器穩(wěn)定性的一個重要參數(shù)的原因之一。影響相位裕量的因素包括閉環(huán)回路的噪聲增益和負載情況。一般而言，噪聲增益愈小則相位裕量愈小，因此單位增益的系統(tǒng)是最難穩(wěn)定的。同時，在選擇運算放大器作為增益緩沖器時，應(yīng)當注意運算放大器在單位增益接法下是否能保持穩(wěn)定。純阻性負載一般對相位裕量沒有影響，感性負載對相位裕量有改善作用，而實際應(yīng)用中最常應(yīng)用的容性負載則會降低運算放大器電路的相位裕量，從而導(dǎo)致系統(tǒng)容易產(chǎn)生自激振蕩。圖2-4閉環(huán)頻率響應(yīng)和時間響應(yīng)如圖2-4(a)所示，當增益交點與相位交點之間距離很小時，閉環(huán)頻率響應(yīng)會出現(xiàn)一個尖峰。相位裕量越低及越靠近fcl，則閉環(huán)尖峰就會越明顯，即閉環(huán)系統(tǒng)接近振蕩，其階躍響應(yīng)呈現(xiàn)阻尼振蕩特性。如圖(b)，當增益交點與相位交點之間距離很大時，系統(tǒng)頻域和時域均有性能良好的閉環(huán)特性。通常，具有60°的相位裕量，系統(tǒng)的穩(wěn)定性是最好的。因此在寬帶放大器設(shè)計中，需要充分考慮系統(tǒng)的相位裕量，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.3寬帶放大器寬帶放大器是指工作頻率上限與下限之比遠大于1的放大電路，這類電路主要用于放大視頻信號、脈沖信號或射頻信號。展寬放大器的通頻帶,是寬帶放大器設(shè)計中的一個重要問題。為了展寬頻帶,一般采用的方法有：(1)在負載中引入電抗性元件，以獲得一定的高頻補償。(2)引入負反饋，用犧牲放大倍數(shù)來換取頻帶的展寬，但此法并不改變放大器的帶寬增益乘積。(3)引入負反饋，且在反饋回路中引入電抗性元件對放大器的高頻特性進行補償[8]。2.4濾波器濾波器(filter)，是一種用來消除干擾雜訊的器件，其功能就是允許某一部分頻率的信號順利的通過，而另外一部分頻率的信號則受到較大的抑制，它實質(zhì)上是一個選頻電路。2.4.1濾波器傳遞函數(shù)圖2-5濾波器框圖對于如圖2-5的濾波器框圖，傳遞函數(shù)定義為：

(2-2)其幅頻特性為：QUOTE|H(jω)|=UoUi，2.4.2有源濾波器和無源濾波器比較無源濾波器：這種電路主要由無源元件R、L和C組成。其主要通過電感和電容的匹配以對某次諧波呈并聯(lián)低阻（調(diào)諧濾波）狀態(tài)，給某次諧波電流構(gòu)成一個低阻態(tài)通路。這樣諧波電流就不會流入系統(tǒng)。無源濾波的優(yōu)點為成本低，運行穩(wěn)定，技術(shù)相對成熟。有源濾波器：這種電路主要由集成運放和R、C組成。其依靠電力電子裝置，在檢測到系統(tǒng)諧波的同時產(chǎn)生一組和系統(tǒng)幅值相等，相位相反的諧波向量，這樣可以抵消掉系統(tǒng)諧波，使其成為正弦波形。有源濾波除了濾除諧波外，同時還可以動態(tài)補償無功功率。其優(yōu)點是反映動作迅速，濾除諧波可達到95％以上，補償無功細致，集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。其缺點是集成運放帶寬有限，所以目前的有源濾波電路的工作頻率難以做得很高，同時有源濾波不要求阻抗匹配，有源濾波的成本也比較高。根據(jù)課題設(shè)計要求，系統(tǒng)3dB通頻帶0~5/10MHz可選，因此本文選擇無源濾波器進行通頻帶的設(shè)計。第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)各模塊方案論證3.1.1可控增益放大器方案一：采用可編程放大器的思想，將輸入交流信號作為12位高速D/A轉(zhuǎn)換器的基準電壓，用DAC的電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成運放反饋網(wǎng)絡(luò)的一部分，通過改變DAC數(shù)字控制量實現(xiàn)增益控制。理論上講，只要DAC的速度足夠快、精度足夠高就可以實現(xiàn)很寬范圍的精密增益控制，但是控制的數(shù)字量和最后的增益(dB)不成線性關(guān)系而成指數(shù)關(guān)系，造成增益調(diào)節(jié)不均勻，精度下降，而且很難實現(xiàn)10MHz帶寬，因此不選此方案。方案二：由單片機、D/A轉(zhuǎn)換器和可控增益放大器[9-14]VCA810構(gòu)成壓控放大器。VCA810的增益(dB)與控制電壓(Vc)成線性關(guān)系，因此可以很方便的通過控制D/A輸出直流電壓來控制VCA810的內(nèi)部電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)增益調(diào)節(jié)。此外，可控增益器件VCA810具有-40dB~+40dB的增益控制范圍，精度達到1dB，帶寬25MHz，可以滿足題目設(shè)計要求。采用可控增益放大器VCA810實現(xiàn)增益控制，外圍電路簡單，便于調(diào)試，而且具有較高的增益調(diào)節(jié)范圍和精度，故采用此方案。3.1.2功率放大電路方案一：利用頻率性能優(yōu)良的高頻三極管等分立器件實現(xiàn)。三極管的使用靈活，成本比集成運放芯片低的多。但電路設(shè)計難度大，實際的調(diào)試過程也比較復(fù)雜，而且由于其分立元件的分布參數(shù)較大，增加了放大器的幅頻特性的調(diào)試難度。方案二：利用集成高電壓輸出運放提供較高的輸出電壓，再由多個高速緩沖器BUF634并聯(lián)實現(xiàn)擴流輸出，提升放大器的帶負載能力。該種方案電路簡單，方便調(diào)試，故選用此方案。3.1.3穩(wěn)壓電源模塊方案一：開關(guān)穩(wěn)壓電源。此方案效率高，但電路復(fù)雜，并且本系統(tǒng)中芯片采用±5V、±18V供電，開關(guān)電源不易實現(xiàn)。此外，開關(guān)電源的工作頻率通常為幾十至幾百KHz，基波與很多諧波均在本放大器通頻帶內(nèi)，極容易帶來串擾。方案二：線性穩(wěn)壓電源。其包括并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種結(jié)構(gòu)。并聯(lián)型電路復(fù)雜，效率低，僅用于對調(diào)整速率和精度要求較高的場合；串聯(lián)型電路比較簡單，效率稍高，方便可靠，尤其是采用集成三端穩(wěn)壓器，能夠輕易實現(xiàn)多種供電電壓。綜上所述，選擇方案二中的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源。3.1.4無源低通濾波器方案一：巴特沃斯(Butterworth)低通濾波器。其在通頻帶內(nèi)外都有平穩(wěn)的幅頻特性，它的幅度隨頻率的增加而單調(diào)下降，且頻率無窮大時它的幅度才衰減完，因此有較長的過渡帶，在過渡帶上很容易造成失真。方案二：切比雪夫(Chebyshev)低通濾波器。其頻率響應(yīng)的特點是濾波器的通帶內(nèi)是等紋波式，且在阻帶內(nèi)具有比最大平坦型（巴特沃斯型）更多的衰減量。方案三：橢圓低通濾波器。橢圓函數(shù)濾波器具有最陡峭的過渡帶衰減特性，相比巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器這兩種在過渡帶皆為漸增式的衰減類型，橢圓濾波器可自設(shè)通帶的最大振幅與阻帶的最小衰減量，即具有陡峭的衰減特性曲線。方案四：貝塞爾(Bessel)濾波器。其在阻帶內(nèi)的衰減比巴特沃斯濾波器要小，但是它的主要優(yōu)勢在于良好的相移特性，實際應(yīng)用上可能要求在相位上具有線性之響應(yīng)，以避免訊號失真。題目中要求3dB通頻帶為5MHz/10MHz，而在0~4MHz/9MHz處的增益起伏小于1dB，因此從-1dB到-3dB應(yīng)做到盡量陡峭，綜合考慮選擇橢圓低通濾波器[15-20]。幾種類型四階低通濾波器的增益和相位響應(yīng)如圖3-1所示。圖3-1幾種類型四階低通濾波器的增益和相位響應(yīng)對照3.2系統(tǒng)總體方案描述圖3-2系統(tǒng)整體框圖系統(tǒng)整體框圖如圖3-2所示，系統(tǒng)主要由四個模塊構(gòu)成：前置放大電路、可控增益放大電路、后級功率放大電路、分檔濾波模塊。系統(tǒng)增益調(diào)節(jié)范圍為0～80dB，可控增益放大器由VCA810[21]構(gòu)成，實現(xiàn)了-40dB～40dB的增益調(diào)節(jié)范圍。前級放大電路的增益為20dB，由OPA2690[22]組成，實現(xiàn)輸入阻抗匹配，并且增大了后級的輸入電壓。題目要求放大器帶寬可預(yù)置，至少需要設(shè)計5M，10M兩個低通濾波器，本系統(tǒng)設(shè)計了5M和10M的四階橢圓低通濾波器，通過跳帽切換實現(xiàn)分檔濾波，將橢圓濾波器放置在功率放大器之前可以濾除可能產(chǎn)生自激的高頻信號。后級功率放大電路增益為20dB，由寬帶電流型放大器THS3001[23]實現(xiàn)高電壓輸出，再通過多個緩沖器BUF634[24]并聯(lián)，擴大輸出電流，提升放大器的帶負載能力。3.3理論分析計算(1)放大器增益帶寬積增益帶寬積(QUOTEGBP)是用來簡單衡量放大器的性能的一個參數(shù)，這個參數(shù)表示增益和帶寬的乘積。增益帶寬積的公式如下：QUOTEGBP=Au×fBW其中，表示電壓增益幅度，表示通頻帶。上式表明：運算放大器的增益與帶寬成反比，是一對相互約束的矛盾，運放增益越高，通頻帶帶寬就會下降。題目中要求放大器最大電壓增益≥60dB，即增益Gain≥1000V/V，而放大器的通頻帶為0~10MHz，所以需要設(shè)計的放大器的增益帶寬積為QUOTEGBP=1000*10M=10G然而單個運放很難達到10G的，所以考慮多級放大器級聯(lián)實現(xiàn)。(2)各級增益分配本系統(tǒng)以可控增益放大器VCA810為核心，其增益調(diào)節(jié)范圍為-40dB～40dB，其它各個單元電路都是根據(jù)VCA810及題目要求設(shè)計。題目中要求最大增益要大于60dB，最大輸出電壓有效值大于等于10V，輸入電壓有效值小于等于10mV，而中間級采用的可控增益放大器VCA810對輸入電壓和輸出電壓均有限制，所以，必須合理分配各級放大器的放大倍數(shù)。VCA810的最大輸出電壓峰峰值為3.6Vpp，要實現(xiàn)輸出電壓有效值大于等于10V的要求，即輸出電壓峰峰值Vpp-min=2×10×2≈28.28V，為得到最大輸出電壓，則后級至少需要有28.28/3.6≈7.86倍的放大倍數(shù)。因此將后級功率放大電路的增益設(shè)置為20dB，則可控增益級VCA810和功率放大電路級聯(lián)可實現(xiàn)-20dB~60dB的增益調(diào)節(jié)范圍。由于輸入電壓有效值小于等于10mV，為了提高VCA810的輸入電壓和進一步提高系統(tǒng)的最高增益，VCA810前級增加增益為20dB的前置放大電路，則系統(tǒng)的增益調(diào)節(jié)范圍為0~80dB。為實現(xiàn)輸入阻抗匹配，系統(tǒng)第一級為輸入緩沖級，為了擴展系統(tǒng)的頻帶，輸入緩沖級增益為2（即6dB），后級增加5倍增益（即14dB）的放大電路，實現(xiàn)前置放大電路20dB增益。(3)系統(tǒng)通頻帶計算放大器鏈路的組成如圖3-3所示：圖3-3放大器鏈路組成圖3-3中注明了設(shè)計中每級增益的分配，并在下方依據(jù)器件的官方資料給出了各級-3dB通頻帶的上限。如圖3-3所示，系統(tǒng)通頻帶由OPA2690、VCA810、THS3001和BUF634共同決定，由頻率響應(yīng)公式可知系統(tǒng)增益與頻率的關(guān)系如下：Au式中，f2690(1)=220MHz，f2690(2)=50MHz，f810=25MHz，f3001=75MHz，f634(4)通頻帶內(nèi)增益起伏控制在系統(tǒng)總體的通頻帶內(nèi)，通頻帶起伏僅由濾波器的通頻帶內(nèi)起伏決定，在-3dB通頻帶為10MHz，在9MHz處的衰減小于1dB，因此從-1dB到-3dB應(yīng)做到盡量陡峭。基于這些要求，系統(tǒng)選擇橢圓濾波器來實現(xiàn)不同帶寬的切換。橢圓濾波器在有限頻率上既有零點又有極點。極零點在通帶內(nèi)產(chǎn)生等波紋，這與切比雪夫類似。阻帶內(nèi)的有限傳輸零點減小了過渡區(qū)，從而獲得極為陡峭的衰減特性曲線。橢圓濾波器由濾波器設(shè)計軟件FilterSolution設(shè)計仿真得到，利用橢圓濾波器陡峭的邊緣特性，設(shè)計4階橢圓低通濾波器即能達到要求，其旁瓣過大的缺點由后級電路的有限帶寬補償。(5)線性相位分析假設(shè)某個頻率的正弦信號通過一個系統(tǒng)的時間需要T，則這個信號的輸出相位落后原來信號w×T的相位，即該信號被延遲了。在實際系統(tǒng)中，一個輸入信號可以分解為多個正弦信號的疊加，為了使得輸出信號不會產(chǎn)生相位失真，必須要求它所包含的這些正弦信號通過系統(tǒng)的時間延遲是一樣的，則要求落后的相位要正比于頻率w。從系統(tǒng)的頻率響應(yīng)來看，就是要求它的相頻特性是一條直線。本系統(tǒng)中會引入時延的主要有兩個部分：各級運算放大器和濾波器。從各運算放大器相頻特性曲線上可以看出運放不是線性相位系統(tǒng)。而完全理想的線性相位濾波器對于一定頻率范圍的時間延遲是一個常數(shù)，就可以實現(xiàn)線性相位。從本設(shè)計系統(tǒng)中的使用四階無源橢圓低通濾波器的相頻特性上看，此濾波器不是線性相位的。因此本系統(tǒng)并不能達到線性相移，但由于題目中沒有對整個系統(tǒng)的相頻特性做出要求，本系統(tǒng)仍然選擇使用4階橢圓濾波器。(6)直流零點漂移分析本系統(tǒng)主要由前置放大級、可控增益級和功率放大級這三級組成，由于系統(tǒng)為寬帶直流放大器，所以各級之間必須采用直流耦合方式，然而對于高增益電路，直流耦合時前級的微小偏置電壓經(jīng)放大后也將在后級產(chǎn)生較大偏置。對于寬帶直流放大器，必須對于直流零點漂移有很好的抑制性能。系統(tǒng)的直流零漂由三級共同決定，每一級電路都會產(chǎn)生零點漂移。而前級的放大器引入的直流偏置對整體的系統(tǒng)影響最大。首先，系統(tǒng)采用低偏壓、低溫漂的寬帶運放OPA2690構(gòu)成前級放大電路。其次，可在可控增益級增加偏置調(diào)節(jié)電路，將VCA810接成偏置電壓可調(diào)的電路形式。(7)放大器穩(wěn)定性分析[25-32]由于本系統(tǒng)的放大倍數(shù)非常大，后級的信號耦合到前級后很容易引起自激振蕩。為了提高放大器的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)主要采取以下措施：1)放大器電路板選用TI公司針對寬帶放大器特制的PCB板，采用銅板大面積接地，減少地回路，將寄生的分布參數(shù)降到最低。2)電源退藕。放大器PCB板上所有運放電源線均加電感和電容濾波。電感可濾除電流上的高頻毛刺，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，安裝時也盡量靠近IC電源和地。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，同時避免放大器高頻自激。4)電路中元器件基本上用貼片的形式，通過減少走線長度來減少寄生效應(yīng)的影響。3.4系統(tǒng)各模塊電路設(shè)計3.4.1前置放大電路待放大的輸入電壓，含有噪聲和其他干擾因素，必須經(jīng)過隔離濾波以后，才能輸送到下一級進行有效的放大。本系統(tǒng)前級放大電路由低偏壓、低溫漂的寬帶放大器OPA2690及外圍電路組成，實際上為兩級OPA690。第一級OPA690增益為6dB，在其同相輸入端并聯(lián)51Ω電阻到地，實現(xiàn)阻抗匹配，此級增益較小，一方面為了抑制共模輸入信號，提高抗干擾能力，另一方面有利于展寬系統(tǒng)的通頻帶。第二級OPA690增益為14dB，前級放大電路的增益為20dB，完成了電路隔離，并有效的增大了輸入阻抗。電路圖如圖3-4所示。圖3-4前置放大電路原理圖運用TI-Tina[33]仿真軟件進行仿真，設(shè)定輸入信號為20mVpp，頻率為1MHz的正弦波信號，各級輸出波形如圖3-5所示。圖3-5各級仿真輸出波形由仿真結(jié)果可知，前級電路能夠很好的實現(xiàn)20dB的增益，但是第一級OPA690輸出有2.5mV左右的偏置電壓，第二級OPA690輸出有12mV的偏置電壓，如果不加以調(diào)節(jié)，通過后級放大，將會產(chǎn)生很大的偏置電壓，從而影響整個系統(tǒng)性能。由于系統(tǒng)選用的電路板限制，無法在前置放大級抑制零點漂移，該問題將在后級電路中得到解決。此外，需要考慮該級的幅頻特性和相頻特性，以便對系統(tǒng)的通頻帶帶寬有一個明確的把握。運用TI-Tina仿真軟件的交流分析功能獲得該級交流傳輸特性，如圖3-6所示。圖3-6前級放大電路的幅頻特性由圖3-6可知，第一級OPA690的增益為6dB，3dB帶寬約為220MHz，整級電路增益為20dB，3dB帶寬為60.4MHz，有效的擴大了整個系統(tǒng)的通頻帶。前置放大電路的實物圖如圖3-7所示，級間連接均采用同軸電纜，減少空間電磁波對本電路的干擾，同時避免放大器高頻自激。圖3-7前置放大電路實物圖3.4.2可控增益放大電路系統(tǒng)可控增益放大電路采用VCA810實現(xiàn)。VCA810高增益控制帶寬為25MHz，VCA810的線性增益誤差(dB/V)只有0.3dB/V，增益控制范圍為-40dB~40dB，增益與電平關(guān)系為：GVCA810dB=-40(VC+1)式中，VC為VCA810的增益控制電壓，范圍為-2V~VCA810模塊電路圖如圖3-8所示。圖3-8VCA810可控增益放大電路 如圖所示，8腳為了匹配輸入阻抗，并接了50Ω的電阻，1腳接25Ω的偏置電阻。Vc為增益電壓控制端，設(shè)置Vc=-1.5V，此時電路增益應(yīng)為20dB。運用TI-Tina仿真軟件進行仿真，設(shè)定輸入信號為20mVpp，頻率為1MHz的正弦波信號，該級仿真波形如圖3-9所示。圖3-9可控增益電路仿真波形由仿真結(jié)果可知，當Vc=-1.5V時，該電路能夠很好的實現(xiàn)20dB的增益，并且VCA810輸出電壓僅有4mV左右的偏置電壓。運用TI-Tina軟件的交流分析功能獲得該級交流傳輸特性，如圖3-10所示。圖3-10Vc=-1.5V時可控增益電路幅頻特性由圖3-10可知，當VCA810增益控制電壓為-1.5V時，電路能實現(xiàn)20dB的增益，增益起伏在1dB以內(nèi)，3dB帶寬為35MHz。由于時間關(guān)系，現(xiàn)在無法通過單片機控制12位DAC轉(zhuǎn)換器，對VCA810的增益進行調(diào)節(jié)。因此，采用MOTECH公司直流穩(wěn)壓電源LPS305的輸出電壓作為增益控制電壓，通過人為的對Vc進行調(diào)節(jié)，來控制整個電路的增益變化。Vc電壓與增益變化對照表如表3-1所示。表3-1Vc電壓與增益Gain變化對照表(Gain=-40(Vc+1)/dB)增益（dB）-40-39-38-37-36-35-34-33-32-31Vc（V）0-0.025-0.05-0.075-0.1-0.125-0.15-0.175-0.2-0.225增益（dB）-30-29-28-27-26-25-24-23-22-21Vc（V）-0.25-0.275-0.3-0.325-0.35-0.375-0.4-0.425-0.45-0.475增益（dB）-20-19-18-17-16-15-14-13-12-11Vc（V）-0.5-0.525-0.55-0.575-0.6-0.625-0.65-0.675-0.7-0.725增益（dB）-10-9-8-7-6-5-4-3-2-1Vc（V）-0.75-0.775-0.8-0.825-0.85-0.875-0.9-0.925-0.95-0.975增益（dB）0123456789Vc（V）-1.0-1.025-1.05-1.075-1.1-1.125-1.15-1.175-1.2-1.225增益（dB）10111213141516171819Vc（V）-1.25-1.275-1.3-1.325-1.35-1.375-1.4-1.425-1.45-1.475增益（dB）20212223242526272829Vc（V）-1.5-1.525-1.55-1.575-1.6-1.625-1.65-1.675-1.7-1.725增益（dB）30313233343536373839Vc（V）-1.75-1.775-1.8-1.825-1.85-1.875-1.9-1.925-1.95-1.975增益（dB）40Vc（V）-2.0可控增益放大電路實物圖如圖3-11所示。考慮到電路板限制，暫未進行VCA810及前級放大電路的失調(diào)電壓調(diào)節(jié)。圖3-11VCA810模塊實物圖3.4.3低通濾波器為了達到題目要求的5MHz和10MHz帶寬設(shè)置，要制作兩路無源濾波器。本系統(tǒng)中采用了四階低通橢圓濾波器實現(xiàn)。橢圓濾波器由濾波器設(shè)計軟件FilterSolution設(shè)計仿真得到，利用橢圓濾波器陡峭的邊緣特性，設(shè)計4階橢圓低通濾波器即能達到要求，其旁瓣過大的缺點由后級電路的有限帶寬補償，所以整個電路還是能起到很好的濾波效果。(1)5MHz濾波器5MHz濾波器電路如圖3-12所示。圖3-125MHz橢圓低通濾波器電路圖該濾波器的系統(tǒng)傳輸函數(shù)為：(3-4)其幅頻特性如圖3-13所示。圖3-135MHz濾波器的幅頻特性由上圖可以看出，該濾波器的3dB帶寬約為5.24MHz，但是在3MHz后濾波器增益有較大起伏，因此會對濾波器性能造成一定影響。然而，實際器件中并沒有合適的電感、電容與仿真結(jié)果匹配，只能重新設(shè)計。將電路中的電感電容在很小范圍內(nèi)調(diào)整以進行匹配，電路圖如圖3-14所示。圖3-14實際5MHz濾波器電路圖運用TI-Tina仿真軟件的交流分析功能獲得濾波器的幅頻特性，如圖3-15所示。圖3-15實際5MHz濾波器幅頻特性由上圖可知，實際匹配的5MHz濾波器幅頻特性基本符合要求，3dB帶寬為5.22MHz，不過在4.8MHz出會產(chǎn)生較大的增益尖峰，影響電路性能。(2)10MHz濾波器10MHz濾波器電路如圖3-16所示。圖3-1610MHz橢圓低通濾波器電路圖該濾波器的系統(tǒng)傳輸函數(shù)為：(3-5) 其幅頻特性如圖3-17所示。圖3-1710MHz濾波器的幅頻特性由上圖可以看出，該濾波器的3dB帶寬約為10.28MHz，但是在6.5MHz后濾波器增益有較大起伏，因此會對濾波器性能造成一定影響。然而，實際器件中并沒有合適的電感、電容與仿真結(jié)果匹配，只能重新設(shè)計。將電路中的電感電容在很小范圍內(nèi)調(diào)整以進行匹配，并且通過少量電容的串并聯(lián)實現(xiàn)需要的電容值，電路圖如圖3-18所示。圖3-18實際10MHz濾波器電路圖運用TI-Tina軟件的交流分析功能獲得濾波器的幅頻特性，如圖3-19所示。圖3-19實際10MHz濾波器幅頻特性由上圖可知，實際匹配的10MHz濾波器幅頻特性基本符合要求，3dB帶寬為10.28MHz，不過在7MHz出會產(chǎn)生較大的增益尖峰，影響電路性能。兩路低通濾波器實物圖如圖3-20所示。圖3-205MHz/10MHz低通濾波器實物圖3.4.4功率放大電路功率放大電路原理圖如圖3-21所示。圖3-21功率放大電路由圖可見，功率放大電路由電流反饋型運放THS3001HV和高速電流緩沖器BUF634構(gòu)成。THS3001[23]數(shù)據(jù)手冊顯示同相輸入端輸入阻抗為1.5MΩ，反相輸入端輸入阻抗為15Ω，而THS3001為電流反饋型運放，故輸入信號接同相輸入端，以便獲取足夠的輸入電壓，反相輸入端接反饋環(huán)路，以保證電流的有效反饋。由于要將信號放大到10V有效值(28.28Vpp)，一般供電電壓為±15V的運放難以達到這樣的擺幅，THS3001HV是少數(shù)可以采用±18V供電的高速寬帶運放，具有2500V/us的高壓擺率，當增益設(shè)為20dB時，其帶寬為75MHz。BUF634是高速緩沖芯片，可±18V供電，輸出電流達250mA，高壓擺率為2000V/us，帶寬為30MHz。THS3001HV雖然具有高壓擺率，但其輸出電流有限，為實現(xiàn)高輸出電壓擺幅和大輸出電流，采用THS3001HV實現(xiàn)20dB增益，完成幅值放大，然后通過四個并聯(lián)的BUF634實現(xiàn)擴流輸出，提高帶負載能力。為消除偏置電壓，整個電路接成一個大的閉環(huán)反饋形式，將BUF634置于反饋環(huán)內(nèi)。運用TI-Tina仿真軟件進行仿真，設(shè)定輸入信號為20mVpp，頻率為1MHz的正弦波信號，該級仿真波形如圖3-22所示。圖3-22功率放大電路仿真波形由仿真結(jié)果可知，功率放大電路能夠?qū)崿F(xiàn)20dB的增益，但是在THS3001HV輸出端會存在37.5mV的偏置電壓，然而經(jīng)過BUF634后，偏置電壓得到消除，說明將整個電路接成一個大的閉環(huán)反饋形式，將BUF634置于反饋環(huán)內(nèi)的電路連接形式是非常有效的。該級的頻率特性如圖3-23所示。圖3-23功率放大電路幅頻特性由上圖可知，整個大的閉環(huán)反饋電路增益在40MHz左右會產(chǎn)生較大的起伏，但在0～20MHz頻率范圍內(nèi)，增益穩(wěn)定，因而完全能夠滿足10MHz的帶寬要求。功率放大電路實物圖如圖3-24所示。圖3-24功率放大電路實物圖實際情況中，僅連接一片BUF634來進行擴流，帶負載能力會有所下降。3.4.5穩(wěn)壓電源電路本電源采用橋式全波整流、大電容濾波、三端穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓的方法，產(chǎn)生給放大器和其他芯片供電的±18V、±5V電壓，穩(wěn)壓電源電路圖如圖3-25所示。圖3-25穩(wěn)壓電源電路圖其中變壓器中間抽頭與后級電路共地。穩(wěn)壓電路實物圖如圖3-26所示。圖3-26穩(wěn)壓電源實物圖3.5系統(tǒng)整體電路設(shè)計及仿真系統(tǒng)主要由四個模塊構(gòu)成：前置放大電路、可控增益放大電路、后級功率放大電路、分檔濾波模塊。各個模塊之間采用同軸電纜相連。運用TI-Tina對系統(tǒng)整體電路進行仿真。系統(tǒng)整體電路如圖3-27所示。圖3-27系統(tǒng)整體電路圖如圖所示，設(shè)置輸入信號為2mVpp，頻率為5MHz的正弦波信號，整體電路中設(shè)置有偏置調(diào)節(jié)電路，設(shè)置電路為滿增益(80dB)狀態(tài)，即VCA810增益為40dB，并選擇5MHz的低通濾波器。在每一級輸出端設(shè)置測試點，通過偏置調(diào)節(jié)電路消除偏置電壓后，各級測試點仿真波形如圖3-28所示。輸入信號2mVpp前置放大級輸出20mVpp，增益20dB輸入信號2mVpp前置放大級輸出20mVpp，增益20dB可控增益級輸出2Vpp，增益40dB5MHz低通濾波器輸出略小于2Vpp，主要受橢圓濾波器幅頻特性影響功率放大器輸出小于20Vpp，增益仍為20dB圖3-28系統(tǒng)各測試點仿真波形由上圖可知，前級放大電路和可控增益電路均能實現(xiàn)各自設(shè)定的20dB和40dB的增益，信號通過5MHz的濾波器時，有很小衰減，因為實際5MHz的橢圓濾波器的截止頻率在5.22MHz。總體來說，電路基本實現(xiàn)了80dB的滿增益，并且通過偏置調(diào)節(jié)電路后，輸出信號沒有直流偏置電壓，符合設(shè)計要求。運用TI-Tina分析此時電路的交流特性如圖3-29所示。圖3-29系統(tǒng)的5MHz頻率特性如圖所示，系統(tǒng)的3dB帶寬為5.06MHz，在3dB帶寬頻率點后增益衰減較快，但旁瓣較大，這主要是由橢圓低通濾波器的幅頻特性決定的。在5MHz通頻帶內(nèi)增益起伏很小，小于1dB，符合設(shè)計要求。選擇10MHz的濾波器后，系統(tǒng)的3dB帶寬為10.02MHz，在10MHz通頻帶內(nèi)增益起伏很小，小于1dB，符合設(shè)計要求。如圖所示，系統(tǒng)的相頻特性在頻率較高時變化較大，在3dB帶寬頻率點處，輸出相移已超過180°。實際上濾波器的相移變化非常大，而整個系統(tǒng)只是級聯(lián)在一起，并沒有組成一個大的反饋環(huán)路，因此考慮系統(tǒng)整體的相頻特性是沒有意義的。系統(tǒng)整體實物圖如圖3-30所示。圖3-30系統(tǒng)整體實物圖第四章系統(tǒng)測試及分析4.1系統(tǒng)各級測試及分析下表顯示了實驗室測試的儀器。表4-1測試儀器列表序號儀器名稱、型號、規(guī)格數(shù)量1SiglentSDS1102CE數(shù)字示波器100MHz帶寬，2GSa/s采樣率12STR-F220DDS函數(shù)信號發(fā)生器20MHz13MOTECHLDS-305數(shù)控直流穩(wěn)壓電源14MASTECH數(shù)字萬用表15FLUKEPM6303ARCL自動測試儀14.1.1前置放大電路測試及分析測試電路如圖4-1所示。圖4-1前級放大電路測試設(shè)定信號發(fā)生器輸出20mVpp的正弦波信號，示波器兩探頭分別測試輸入信號、第一級OPA690輸出和第二級OPA690輸出，測試結(jié)果如表4-2所示。表4-2前置放大級增益測試結(jié)果頻率（Hz）1k10k1M5M10M12M輸入信號Vpp（mV）14.614.614.614.614.614.6第一級OPA690輸出Vpp（mV）24.624.624.820.416.414.6第二級OPA690輸出Vpp（mV）106.0106.2106.496.050.033.6第一級增益（dB）2.91.00第一級增益（dB）12.712.712.713.459.77.2圖4-2前置放大級示波器顯示示波器顯示波形如圖4-2所示。信號發(fā)生器輸出小信號時，干擾較多，示波器顯示輸入信號抖動厲害，因此示波器讀取的數(shù)據(jù)有很大誤差，而輸出信號相對穩(wěn)定，但隨著頻率的增加，信號增益逐漸減小。由于前級電路增益小，而增益帶寬積恒定，故帶寬很大，對一些高頻噪聲也進行了放大。4.1.2可控增益放大電路測試及分析VCA810的增益與控制電壓Vc的關(guān)系為：G數(shù)控直流穩(wěn)壓電源僅能按照0.01V的步進，但由于顯示的精度不夠因此每次設(shè)定0.05V的步進，即2dB的步進增益。設(shè)定信號發(fā)生器輸出10mVpp，頻率為1MHz的正弦波信號，測定VCA810正的增益如表4-3所示。表4-3VCA810的正增益范圍Vc（V）-1.0-1.05-1.1-1.15-1.2-1.25-1.3-1.35-1.4-1.45-1.5輸入（mV）18.017.017.017.017.016.016.016.016.016.016.0輸出（mV）18.023.228.036.042.453.665.680.0104.0128.0162.0增益（dB）02.704.336.517.9410.512.2614.016.2518.0620.1Vc（V）-1.55-1.6-1.65-1.7-1.75-1.8-1.85-1.9-1.95-2.0輸入（mV）16.016.016.016.016.016.016.016.016.016.0輸出（mV）206.0264.0324.0388.0468.0560.0632.0768.0872.0990.0增益（dB）22.224.3426.1327.729.3230.8831.933.634.735.8設(shè)定信號發(fā)生器輸出800mVpp，頻率為1MHz的正弦波信號，測定VCA810負的增益如表4-4所示。表4-4VCA810的負增益范圍Vc（V）0.0-0.05-0.10-0.15-0.2-0.25-0.3-0.35-0.4-0.45-0.5輸入（V）31.131.13輸出（mV）74.074.078.080.084.088.092.0102.0110.0124.0144.0增益（dB）-23.7-23.7-23.2-23.0-22.6-22.2-21.9-20.9-20.2-19.2-17.9Vc（V）-0.55-0.6-0.65-0.7-0.75-0.8-0.85-0.9-0.95-1.0輸入（V）31.13輸出（mV）168.0202.0240.0300.0364.0452.0556.0676.0832.01.0增益（dB）-16.5-14.2-13.5-11.5-9.8-8.0-6.2-4.5-2.6-1.1由上表可知，實測VCA810的增益與設(shè)定值有一定的偏差，這主要是由于輸入信號不穩(wěn)定，干擾太多，示波器測試無法準確讀取數(shù)據(jù)。另外，數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的紋波較大，輸出設(shè)定值與實際值之間有一定誤差。不過很清楚的看到，VCA810的正的增益是達不到40dB，負的增益也達不到-40dB，這可能與電路結(jié)構(gòu)以及器件的選擇有關(guān)。不過VCA810基本能實現(xiàn)-23dB~+36dB的增益控制范圍，從而整個電路應(yīng)該具有17dB~76dB的增益調(diào)節(jié)范圍。4.1.3濾波器測試及分析設(shè)定信號發(fā)生器輸出200mVpp的正弦波，5MHz濾波器和10MHz濾波器測試結(jié)果如表4-5和表4-6所示。表4-55MHz濾波器測試結(jié)果頻率（Hz）1k1M2M3M4M5M6M輸入Vpp（mV）104.098.0102.0124.0112.052.8124.0輸出Vpp（mV）106.0102.0100.094.092.060.828.8表4-610MHz濾波器測試結(jié)果頻率（Hz）10k1M5M7M8M9M10M11M12M輸入Vpp（mV）104.0100.0112.0128.0120.090.066.096.0118.0輸出Vpp（mV）106.0102.092.080.080.078.066.042.028.0由測試結(jié)果可知，信號發(fā)生器的輸出會隨著頻率的變化而變化，低頻時濾波器的增益比較穩(wěn)定，但頻率較高時，濾波器增益呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在系統(tǒng)通頻帶內(nèi)增益起伏較大，而在濾波器的截止頻率后，信號衰減很快，這主要是由橢圓濾波器的頻率特性所決定的。對5MHz濾波器進行進一步研究。輸入5MHz的方波信號進行測試，如圖4-3所示。圖4-3方波信號通過5MHz濾波器如圖所示，5MHz的輸入方波信號發(fā)生了失真，但輸出信號為5M的正弦波。已知頻率為f，角頻率為ω的方波信號的傅里葉變換為：(4-1)方波的基波分量為同頻率的正弦波信號，由上圖可知5MHz的橢圓濾波器濾掉了方波的高次諧波分量，僅保留了基波分量，起到了很好的濾波效果。4.1.4功率放大電路測試及分析設(shè)定信號發(fā)生器輸出2Vpp的正弦波，測試結(jié)果如表4-7所示。表4-7功率放大電路測試結(jié)果頻率（Hz）1k10k1M5M8M10M11M12M輸入（V）900.0m880.0m41.441.481.50輸出（V）8.608.4010.210.410.09.08.67.8增益（dB）19.619.618.719.418.916.015.314.3測試過程中，低頻時，功率放大級具有很好的增益特性。當信號頻率達到1MHz時，輸入輸出信號均極不穩(wěn)定，同時發(fā)生了失真，這可能是測試過程中的干擾所致。實驗采用的芯片THS3001僅可以采用±15V供電，而沒有采用±18V供電的THS3001HV。通過測試，功率放大級輸入2.48Vpp，頻率為1kHz的信號時，輸出可達到26.6V的高壓，增益可達20dB，同時輸出信號基本接近10V有效值的設(shè)計要求。測試波形如圖4-4所示。圖4-4輸入2.48Vpp，輸出26.8Vpp高壓測試波形由上圖可知，THS3001在±15V供電，輸出26.8Vpp高壓時波形仍未失真，同時基本符合輸出10V有效值的設(shè)計要求。4.2總體電路測試與分析 將電路各個模塊級聯(lián)，整體測試如圖4-5所示。圖4-5系統(tǒng)整體測試(1)輸出噪聲測試增益調(diào)節(jié)到Av=60dB，將輸入端短路，輸出端噪聲電壓的峰峰值僅為60.6mV，達到VONPP≤0.3V的設(shè)計要求。增益調(diào)節(jié)到Av=80dB時，測定輸出端噪聲電壓的峰峰值為960mV。(2)高增益測試設(shè)定輸入為10mVpp，頻率為1kHz的正弦波，輸出波形如圖4-6所示.圖4-6輸入10mVpp，1kHz正弦波時系統(tǒng)測試波形由上圖可知，當設(shè)定VCA810為36dB，系統(tǒng)整體為76dB的高增益時，輸出端波形失真，這主要是由于沒有對前置放大級OPA2690和可控增益級VCA810的輸出失調(diào)電壓進行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致最終輸出直流偏置電壓太大，而且為負值，從而輸出波形下部被“削平”。更改輸入信號為10mVpp，頻率為1kHz的方波信號，輸出波形如圖4-7所示。圖4-7輸入信號10mVpp，1kHz方波信號系統(tǒng)測試波形由上圖可知，輸入信號干擾較大，示波器顯示會有很大誤差，通過測試OPA2690輸出為50mVpp，可大致計算出實際輸入信號僅有5mVpp左右。輸出波形為1kHz的方波，其峰峰值為27.6V，達到THS3001能夠輸出的最大電壓值，接近輸出信號10V有效值的設(shè)計要求，此時系統(tǒng)增益為20lg(27.6/0.005)=75dB，接近設(shè)定的76dB的增益值，基本符合設(shè)計要求。 系統(tǒng)無法利用增大方波信號的頻率，來測試系統(tǒng)的幅頻特性。因為若設(shè)定方波信號頻率為2MHz，通過5MHz低通濾波器后，僅保留2MHz的基波分量sinωt，而濾掉了其高次諧波分量，輸出波形為正弦波，發(fā)生失真。而采用正弦波輸入信號時，增益較大時，直流偏置電壓很大，會造成輸出信號失真。因此，測試時沒有對系統(tǒng)的幅頻特性進行測試，但通過仿真，理論上系統(tǒng)是能夠滿足0～80dB的增益調(diào)節(jié)范圍，并可以實行5M/10MHz的3dB帶寬的 此外，系統(tǒng)采用的橢圓低通濾波器盡管在阻帶具有陡峭的衰減特性曲線，但其