4. 高增益放大器(题目分析与答疑)

高增益放大器
要求增益: > 100 dB;
频率范围(3dB带宽): 100KHz---20MHz。
带内波动:<+-2dB
输出功率: > 10 dBmW
负载阻抗:50欧姆
输出信噪比:> 20dB
电源标准:+-5V,+-12V,+-24V

设计报告包括以下内容:
1.电路原理图
2.印制板图
3.电路工作原理
4 . 仿真


*********************分割线,李瑄于2014/12/20更新,题目点评*****************************
总的概念
请参考模电第2、3、5、6章的知识。

  1. 高增益宽带放大器,常见结构是:多级放大/引入负反馈稳定增益拓展带宽
  2. 需要用的的基本知识有:多级放大器设计(增益分配、级间耦合)、负反馈(拓展带宽,注意稳定性)、单级高性能放大器设计(保证DC工作点、增大增益带宽积);


设计指标分析,请认真看完,这是一些基本知识的普及,以及帮助你理解电路

放大器设计要点(通用)
  1. 多级电路,在设计前,明确每一级的指标,尤其是接口指标。包括:供电电压、增益、带宽、输入阻抗、输出阻抗、耦合方式、若是直流耦合则需耦合电平、等
  2. 放大器有三种基本组态,分别有不同的特点,根据需要选用每一级的组态。下面简单介绍几种常见组态:
  3. 共射——增益可以很高、输入阻抗高,输出阻抗较高,带宽受miller效应影响而受限;
  4. 共基——增益一般、输入阻抗很低、输出阻抗较高,不受miller效应影响,带宽较高;
  5. 共集——增益≈1、输入阻抗很高、输出阻抗低,不受miller效应影响,带宽较高;
  6. 沃尔曼(共射共基)——用到两个晶体管一级,增益较高,用一级隔离消除了miller效应(请大家思考为什么,这个很神奇),带宽较高;因带宽主要受限于第一个共射管子的输入极点,故可以用低阻输入,再推高这个极点,进一步拓展带宽;可做成折叠式共射共基以降低耗散的压降;(可参考《晶体管电路设计(上)》里面讲的宽带放大器设计里的讲解)
  7. 晶体管由于输入的非线性,大信号输入基极时,很容易产生输出电流波形失真;可以用大环反馈减小失真;
  8. 可以利用差分放大电路减小失真,差分放大电路也可以引入共射共基型放大;

增益: > 100 dB,频率范围(3dB带宽): 100KHz---20MHz,带内波动:<+-2dB
1.一般以及放大器的设计增益为20dB左右为宜,所以,若要多级级联,则需5级以上比较好;
  1. 没有要求到DC,而是从100kHz起步,故级间耦合也可以采用交流耦合,降低了一定的设计难度;
  2. 最高带宽要求到20MHz,带内波动+-2dB内,所以每级电路带内波动需要小于0.4dB,这对带宽要求进一步增高,保守估计每级的带宽都要做到100MHz以上;
  3. 也建议考虑用另外一种结构:多级,每级高增益,使得开环总增益>130dB以上,并保证开环增益的频响在20MHz处要>110dB,最后引入个大环负反馈来稳定增益;(一方面是反馈理论的分析,与反馈模型的设计;另一方面是额反馈引入的方案设计;再一方面是反馈的稳定性调试);
  4. 当然,也可以分级反馈,为了稳定性起见,比如说分成两大级,每一大级里有2~3小级并有一个大环反馈;这样可以一定程度上避免级数过多引入较多相移,从而产生的不稳定因素;


负载阻抗:50欧姆,输出功率: > 10 dBmW
  1. 10dBmW=10×lg10 mW=10mW,而50Ω电阻上的10mW功耗,因P=V^2/R,故相当于1/√2 V的有效值,即1V的幅度,=2Vpp的峰峰值;
  2. 1V输出的要求很低,也不是功率输出,故对最后一集放大的要求降低(一般最后一级要注意失真、输出功率、管子发热)


输出信噪比:> 20dB
  1. 信噪比=信号功率/噪声功率;20dB=100倍功率比=10倍电压比;
  2. 噪声的来源一般有:热噪声(由大电阻上的热噪声电压引起,功率谱密度正比于电阻,总噪声功率=功率谱密度×带宽,可采用低阻电路减小热噪声)、散粒噪声(由半导体的制作缺陷引起,采用制作工艺较好的低噪声三极管来减小它);还有因放大器的非线性失真产生的总谐波功率,等效为失真噪声(通过输入单频信号,测量输出频谱里的各次谐波的功率,并叠加起来);
  3. 消除热噪声的关键在于第一级放大电路的设计,因为第一级放大电路产生的热噪声会逐级放大,对整个电路总噪声的贡献最大。第一级低噪声设计一般是通过低阻抗化第一级电路实现。避免大电阻在第一级出现成为噪声源;
  4. 低失真的设计主要取决于最后一级,因为最后一级晶体管接受的输入信号肯定是最大的,又因为晶体管有对大信号的指数型输入特性,总体思路是通过引入最后一级内的反馈减小失真,如加入Re,但这降低了最后一级的增益;反馈也可以减小失真,因为反馈网络f是无源网络,总增益为≈1/f,又因无源网络没有非线性失真,,这时最后一级增益可以很大,可以不加Re,因为输出受反馈限制不大,所以最后一级的实际输入量被反馈总体上减小到很小,失真较小(也可以说是无源反馈网络将失真减小了(1+Af)倍);


在实际设计上,若遇到什么问题,欢迎在下面积极提问~
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本题在仿真中,可能会遇到的问题大概有:
  1. 对于热噪声的仿真;
  2. 对输出波形进行FFT以计算总谐波失真功率;
已邀请:

郑天鹏 - 胖子

补充:带内波动:<+-2dB
电源标准:+-5V,+-12V,+-24V

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