宽带前置放大器电路.doc

宽带前置放大电路 【摘要】：本系统设计的宽带前置放大电路由输入阻抗匹配单元、无源衰减网络、有源放大电路三部分组成，带宽可达40MHz,具有良好的直流和交流特性，输入阻抗匹配单元有50Ω和1MΩ可选，由电阻电容组成的无源衰减网络与后级相匹配可实现不低于DC~35MHz的1倍和10倍衰减，有源放大单元选用TI公司的OPA690和THS4211可实现对信号1倍、2倍、5倍、10倍放大，电路输出电阻近似为0。 系统整体方案论证与比较 题目要求有源放大电路采用正负5V供电，在正负5V电源及1M欧输入阻抗的条件下进行1倍、10倍衰减，以及1、2、5、10倍有源放大，可供选择方案如下： 方案一：为了实现衰减和放大的功能，考虑直接选取可调增益的运放实现，如AD603。其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在梯形网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定的，优点是电路集成度高、结构简单。缺点是此芯片的衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定的，要手动精准控制，难度大；梯形电阻网络的输入阻抗低，不能满足1MΩ的要求；且工作频带仅为50MHz，很难满足题目工作带宽要求。 方案二、根据题目对电路衰减和放大倍数的要求，特别是工作频带高的要求，采用宽带运放，如TI的OPA690、THS4211构成后级有源放大环节，其增益带宽积带宽均在500M以上，满足题目要求的DC~35M工作带宽的要求，1、2、5、10倍放大分开，10倍放大采用5倍与2倍相乘的形式可以降低对单级运放带宽的要求，无源衰减网络采用电阻分压构成，采用电阻分压不会限制输入信号的带宽，阻抗匹配部分采用电阻串并联形式。 综上所述：我们选择方案二作为本次比赛的总体方案。 系统整体框图 系统整体框图如图2-1所示。 图2-1 系统整体框图 系统硬件设计 输入阻抗及无源衰减部分设计 （1）输入阻抗匹配部分 输入阻抗要求最大允许误差为2%，同时50Ω输入阻抗可承受5V的过载能力。若采用单个电阻作为输入，不仅没有标称值为50Ω的电阻，而且该电阻承受的功率为： 大于电阻的额定功率，电阻会由于功率过大而毁坏，故考虑选用6个300Ω电阻并联组成的输入电阻网络，这样输入阻抗仍为50Ω，且每个电阻承受的功率为： 1MΩ输入阻抗直接采用单个1MΩ电阻作为输入电阻，题目要求能承受36V输入过载，当输入电压为36V时，电阻承受的功率为： 满足要求。 （2）无源衰减电路 10倍衰减采用电阻串联分压的形式，实际上一个电阻等效于一个电容，一个电感，和一个电阻的串连，在低频情况下电容和电感效应表现不是很明显，而在高频情况下，等效值会增大，不能忽略，小电阻在高频时的寄生电容比大电阻小，本设计采用180Ω和20Ω电阻串联进行分压实现10倍衰减。 当输入电阻选为1MΩ时，会与200Ω的电阻衰减网络相并联，致使输入阻抗降到199.96Ω，所以在中间加入高速运放AD811缓冲作为隔离，使前级输入阻抗与此无源衰减网络相互不影响，由于输入的大信号峰峰值达到10V，故运放AD811采用+/-15V供电。AD811在增益为1时具有140MHz的带宽，不会限制输入信号的带宽。采用二级管进行过压保护。 输入阻抗匹配和无源衰减部分的电路图如图3-1所示。 图 3-1阻抗匹配及无源衰减网络 2、有源放大部分设计 有源放大电路由放大倍数分别为1、2、5、10倍电路组成。采用同相输入接法，可提高输入阻抗，增大共模抑制比。且均采用题目要求的+/-5V电源供电。 （1）1倍放大电路 1倍放大采用ADI公司的高速运放AD811，增益为1时带宽为140MHz，压摆率为2500V/ms, 满足题目DC~35MHz的带宽要求，AD811为电流反馈型运放，其增益和带宽是相互独立的，即其增益带宽积不随输入信号频率的增高而减小。1倍放大电路电路图如图3-2所示。 图3-2 1倍放大电路 （2）2倍放大电路 2倍放大采用TI公司的低失真、高速电压反馈型运放THS4211搭建，采用单端输入方式，增益为2时带宽为130MHz，根据芯片本身的特点前级匹配一个180Ω的输入电阻，反馈电阻R22的选择，原则上不要超过100k，若阻值太大则寄生的电感电容也会很大，会限制带宽；甚至在反馈系数中引入低频极点，使运放不稳定，也不能太小，若阻值太小容易造成幅值过冲，根据芯片数据手册选择了R22=R18=310Ω，放大倍数为。2倍放大电路如图3-3所示。 图3-3 2倍放大电路图 （3）5、10倍放大电路 5倍和10倍放大均采用TI公司的高速宽带放大器OPA690，其增益带宽积