陈亮名，杨 昆

（西南交通大学 四川 成都 611756）

基于宽带高增益的放大器设计

陈亮名，杨 昆

（西南交通大学 四川 成都 611756）

文中介绍了一种基于集成运算放大器实现的宽带高增益放大器，本系统创造性地利用两级宽带运放VCA822压控放大，宽带运算放大器OPA690输出，完成了一个通频带50 kHz～40 MHz，增益0～68 dB可调的宽带高增益放大器。放大器噪声小，通频带范围宽，最大放大倍数大，后级加入了开关手动切换的自动增益控制电路模块，自制电源降压模块。系统采用多种方式消除了高增益，高频自激。放大器输入输出阻抗均为50 Ω，方便和前后级电路匹配。

VCA822；压控增益；自动增益控制；宽带放大器；放大倍数

当代无线通讯领域中，宽带高增益放大器必不可少，但随着电子电路的发展，通信系统对其带内平坦度，增益范围，带宽，噪声等性能指标提出了越来越高的要求。特别是在通行链路的传输中，宽带高增益放大器是其中的关键设备，因为在传输过程中，放大器的特性易受环境，材质，温度噪声等多方面的影响，也就造成该技术的研制设计一直是生活，工业，军用，医疗等多个领域的前沿课题，其研究价值极大。微电子技术，芯片工艺的发展带动了通信电路的进步，宽带高增益放大器被广泛应用于雷达，无线通信，导航，卫星通讯，电子对抗技术等，研究其高频，高增益，低失真，低噪声的放大器特性具有非常重要的意义[1]。目前宽带高增益放大器一般线性度不好，噪声大，设计难，易自激等缺点，文中给出了一种宽带高增益放大器的具体设计及消除自激的方法。

1 系统电路

1.1 系统组成

本宽带高增益放大器由宽带放大模块、自动增益控制模块、电源模块组成。系统组成框图如图1所示。

1.2 宽带放大模块

图1 系统组成框图Fig.1 Block diagram of the system

宽带放大器由两级宽带压控放大器，配合宽带运算放大器实现，电路原理图见图2。两级构成的宽带压控放大部分完成了0～52 dB动态范围的增益可调，使用进行可调电压放大达到最大电压增益为16 dB，使整体的增益达到68 dB。

VCA822是一款直流耦合型宽频带压控增益放大器，最大工作频带宽度可到达150 MHz，增益大于40 dB的控制范围，160 mA的输出电流，并且具有优越的噪声特性和高精度的增益控制。放大器增益由控制电压和外围电阻阻值共同决定[2]。在控制电压的作用下，该器件可提供精确的增益，且按V/V线性变化，且有良好的稳定性。同时在后级加入500 MHz的电压反馈型运放OPA690。若只采用1级VCA822直接放大的话，很容易在Av≥30 dB和高频的时候产生自激，因此，我们采用3级级联分别进行放大的方案。

根据TI提供的VCA822数据手册，可以决定外围电阻的具体参数。由单级放大倍数 Av（max）=20＞10，则 1.33 kΩ＜Rf＜845 Ω；通过 Av（max）=2Rf/RG选择 133 Ω＜RG＜84 Ω；增益控制电压VG由电位器对电源降压后的+5 V分压后获得。VCA822 的 IRGmax=2.6 mA，VINmax（VPP）=2RG*IRGmax，因而RG决定了该器件的输入信号的动态范围。这和放大倍数是一对矛盾，必须根据实际要求选择合适的 RG，RF[3]。OPA690用于后级功率放大，实现放大器具有较大的输出电压与功率。采用运放的典型负反馈电路，其外围电阻值采用数据手册推荐值。

图2 放大模块原理图Fig.2 Schematic amplifier module

1.3 自动增益控制模块

自动增益控制（AGC）是对放大器的增益进行自动调节的过程。为了使随输入信号电平变化而引起的输出信号变化少，这样输入不同幅值的电压就可以得到相同量的输出，从而相当于调节放大器增益。电路基本原理是在输出端VOUT接入由三极管构成的检波电路，输出一个和VOUT成比例的电流，经电容电阻充放电转换成电压，用改该电压反馈回去加到增益控制端VG，就可以起到稳幅的效果，明显此处为负反馈。电路原理图如图3所示[4]。

图3 自动增益原理图Fig.3 Automatic gain schematics

由于三极管非线性，RC充放电电路等随频率改变而改变，固电路的具体参数由输入信号的幅度与频率的不同而需现场调整。

1.4 电源模块

由于该设计要求高频噪声小，电源的要求很高，因为开关电源一般有较大的高频分量，固电源采用线性降压方案，由变压器降压部分、全波整流，滤波部分、稳压部分组成，电路原理图如图4所示。采用LM317，7812，7805，分别提供正可调，+12 V，+5 V 电源；LM337，7912，7905 分别提供负可调，-12 V，-5 V电源。为整个系统提供±5 V或者±12 V电压和2～20 V可调直流输出，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述[5]。

图4 电源原理图Fig.4 Power supply schematic

2 系统安装调试

在安装调试过程中，遇到了几个主要的问题：电路自激，直流偏置严重，噪声较大。但通过不断分析，调试，找原因并解决了：

1）由于VCA822的输入失调电压为10 mV级，失调电流为μA级，因此在各级输出端可能出现直流偏置，因此，采用各级之间加入交流耦合电容进行隔直来消除直流的影响。

2）由于本系统中的运放OPA690采用的负反馈均运放单级反馈，故应注意使每级运放自身产生的附加相移φa＜180°。在电路调试过程中，对于电压反馈型运放OPA690，我们可以引入电阻、电容，且在f0处产生的附加相移ΔφB，若使得ΔφB+ΔφA+ΔφF≠Nπ（N 为奇数），则自激振荡得以消除。 对于宽频带压控增益放大器VCA822，我们特别注意了走线布局，如采用双面板，采用一面作为地线层，采用贴片元件；注意各级元件的合理布局布线；与函数发生器连接的输入信号采用屏蔽线头[6]。

3）同时，本系统的信号非常小，要求输入电压有效值Ui≤1 mV，因而，应合理地采取抗干扰措施来提高放大器的稳定性，系统全部采用印制板，减小了寄生电容和寄生电感的影响；采用铜板大面积接地，减小地回路；级间采用同轴电缆相连，避免级间干扰和高频自激。

4）为了提高高频放大器的稳定性，在对VCA822的设计中，我们特别注意了电阻值的合理取值，因为其外围的每一个电阻的取值都会影响其工作的稳定性。

3 设计结果

Ui=1 mV 条件下，测得 Av（max）=68 dB。

表1 测试仪器表Tab.1 Test equipment

Av=60 dB条件下，测得放大器的通频带为50 kHz～40 MHz。

Av=60 dB条件下，将输入端短路，测得输出端噪声电压峰峰值UoNpp=270 mV。

输出波形无明显失真的条件下，测得最大输出正弦波电压有效值Uo=1.76 V。

4 设计总结与展望

根据上述测试数据，整个系统的设计难度在于高频带宽范围内，实现高增益放大，系统容易产生自激。该电路方案实现了放大倍数68 dB，带宽从50 kHz-40 MHz，噪声电压小。设计得到以下设计与展望：

1）由于我们现有的仪器条件限制，信号幅度输出小时噪声大，造成输出波形噪声较大。

2）放大器的增益最大可达70 db，但超过70 db后放大器容易出现自激振荡，如改善电路加入补偿放大倍数还可以提升。

3）放大器最大输出幅度峰峰值可达5 V，在驱动负载时，通频带超过40 MHz，带内失真小，但带内衰减较大，主要是由于最后一级OPA690放大高频特性限制，如果继续改善补偿电路，可将通频带内起伏控制得更小，并继续拓宽带宽。

4）通过设计，调试，分析，我们给出了压控运放VCA822的外围电路设计方法，消除自激方法，及输出控制方法。这也是本文的价值所在。

5 实物展示

系统实物图如图5所示。

6 结 论

本研究通过对宽带高增益放大器的设计，说明了宽频带，高增益放大器是设计关键在于减小高增益低频的噪声，消除高增益高频的自激，通过理论分析与实践经验，解决了降低噪声、消除自激的电路设计方法，为宽频带，高增益放大器的设计提供了指导。

图5 系统实物Fig.5 Physical of system

[1]朱颖，何乐年，严晓浪.高速高增益运算放大器的设计及应用[J].电路与系统学报，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]谈雪梅，俞亚珍.宽带可控增益放大器的设计[J].常州轻工职业技术学院学报，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]沈伟慈.通信电路[M].2版.西安：西安电子科技大学出版社，2007.

[5]康华光，陈大钦，张林.电子技术基础 模拟部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[6]闫稳，王梅，张桢.一种高速运算放大器电路自激振荡机理分析与改善方法[J].通信电源技术，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 稿件编号：201312007

陈亮名（1993—），男，湖南邵阳人。研究方向：自动化。