一、系统构成
根据该题的各项技术指标要求，采用宽带宽、低噪声、高增益的程控放大器是本题的重
点，也是确定方案时需要综合考虑的问题。为了满足高增益宽带宽的要求，该设计需选择高
增益带宽积的放大芯片，同时注意阻抗匹配；为了实现增益可变，需要利用增益程控芯片；
为了保证带宽内的平坦，需要选择在固定放大倍数下通频带能够保持平坦，或是多级之间的
增益频率变化特性能互补而平坦的芯片；为了满足低噪声要求，从第一级开始就需抑制噪声，
并在各级中减少噪声的带入。
综合考虑后，决定将电路定为四级，其中第一级主要进行阻抗匹配和噪声抑制，固定增
益放大；第二级和第三级都是程控增益控制，以实现高增益、宽带宽和增益可变的平衡；第
四级采用电流反馈放大器进行功率放大。
（1））前级放大模模块的论证与与选择
方案1：使用用OPA657 作为为第一级放大大，按照该芯片手册的说明，在＋7 倍增益时， OPAA657
的增增益带宽积高高达1.6 GHz，是高增益带带宽积，低扰扰动的电压反反馈型放大器器。在单级能够保
证带带宽和精确度度的情况下放放大小信号，完全满足题目100 MHz 带带宽的要求。。
方案2：使使用OPA846 或或OPA847 芯芯片，这两种种芯片性能相相近，都是具具有超低输入电压
电流流噪声，超高高增益带宽积积的芯片，OPPA846 在放大大10 倍的情况况下，有400 MHz 的带宽，
而OOPA847 具有3.9 GHz 的增增益带宽积，且两种芯片片的输入电压压噪声也极低低，能有效压制噪
声。
经实践，我们发现OPA6657 满足带宽宽100 MHz 的的要求，但4..8nV/ √Hz 的的输入电压噪声难
以压压制，无法达达到60 dB 条件件下，输出噪噪声峰峰值小小于100 mV 的要求，而OPA846 具有有1.2
nV/ √Hz．的输入入噪声电压，OOPA847 具有0.85 nV/ √Hz 噪声电压，同时增益带宽宽积为3.9 GHz，
适合合高倍数放大大，满足题目要求。为追求更高指标，，选用OPA8847，所以采采用方案2。
（2））中间程控放放大级的论证证与选择
产生‐2V~0V 的控
方案1：采用用单级VCA8810 进行程控控放大，单片片机输出电压压经过反向，产
制电电压，实现单单级‐40 dB 到＋40 dB 的增增益变化。但但理论固定带宽只有35 MMHz，难以达到拓
展部部分所有技术术指标的要求求。
方案2：使用用精密电位器器改变放大器器的反馈电阻阻实现增益可可调，但会给给电路系统带来干
扰，且在高频时时，电位器产产生电容效应，使得增益不不够平坦。
方案3：使用用宽带程控集集成放大器。利用VCA822 进行程控放放大，VCA8222 在增益为110 dB
时带带宽达到150 MHz，控制制电压在‐1~＋＋1V，需要对对单片机的控控制信号进行行电平移动，较为
繁琐琐。利用VCA8820 进行程控控放大，VCA8820 的性能和和VCA822 相似，只是控制制电压为0~22 V。
如选选用VCA821, VCA821 与VVCA820 兼容，控制电压也也一致，在放放大两倍的小小信号情况下下，带
宽达达到710 MHzz，完全满足题目要求。
因此我们选选用方案3 中中的VCA821，且采用两级级级联的方式式，在增大可可调范围的同时，
保证证中间级有足足够的带宽。
（3））后级电压放放大模块的论论证与选择
方案1：利用用电流反馈放放大器THS30091 作为末级级功放带动550 Ω负载，THHS3091 为电流反
馈放放大器，没有有严格的增益带宽积，比较较适合高频设设计，另外电电流反馈放大大器的优点是输出
电流流大。
方案2：选用用电流反馈放放大器OPA6695 作为末级级功放，根据据数据手册，OOPA695 在放放大8
倍的的情况下，仍仍然具有450 MHz 的增益益带宽，且输出电压能达到到土4.2 V。
方案3：选用电压反馈型型放大器OPPA847 放大220 倍，OPA827 具有3.7 GHz 的增益带宽
积，且经过计算算，OPA847 完完全能接50 Ω负载，达达到1V 真有效效值输出。
通过对比实实验发现，3 个个方案都能满满足带宽要求求，但在带负负载能力上，方案1 更能能有效 满足足题目的所有有要求，因此此我们选用方案1。
二、放大器增增益带宽积分分析
电压反馈型型运算放大器器的增益和带宽之间存在一一定的关系，，增益越高，带宽越窄，增益
带宽宽积：BW ·AAv ＝常数，所所以在放大器器设计时，应应在增益和带带宽之间进行行折中的选择择。按
照题题目发挥部分分的要求，信信号通频带为0.3~100 MHHz，最大电压压增益Av > 660 dB，则最最小的
增益益带宽积为：100 M x 10000＝100 GHz。
电流反馈型型 （CFB）运算算放大器的开开环响应是输输出电压对输输入电流的响响应，与电压反馈
型运运放不同，电电流反馈运放没有恒定的增增益带宽积，随着频率的的增加，它可可以在较宽的频率
范围围内保持高增增益。但这是以以牺牲反馈电电阻的选择范范围为代价的的，当设计特定定的放大倍数数时，
应根根据所选用芯芯片的数据手手册中提供的数据选择特定定的阻值。
本系统采用用的OPA847 的的增益带宽积积是3.9 GHz , VCA821 的的带宽在小信号时为710 MHz,
大信信号时为320 MHz，都是宽带运放，符符合设计需要要。
（1））增益分配的的计算
题目中要求求系统增益在在0}60dB 可调调，带宽为1000 MHz 以上上，1 mV 真有有效值输入时时最大
真有有效值输出幅幅度大于1V。由以上分析析，该系统共分分为四级。第第一级采用OOPA847 构建同相
放大大器，考虑到到第二级输入入大于200 mVV 易失真，因因此第一级输输出信号幅度度不宜过大，所以
该设设计的第一级级放大8 倍，获得18.05 dB 左右的增增益，第四级级放大5 倍，获得约13.98 dB
的增增益，中间两两级串联程控控级可调范围为‐40 dB~＋＋30 dB，所以以系统总增益益实现了0~60dB
可调调。
（2））带宽计算
图D‐1‐2 方框中标明了各各级的增益分分配，以及计计算出每级的的最大通频带带的上限频率率。系
统通通频带由三级级放大电路共共同决定。满足0.3~100 MMHz 的通频带带要求。
（3））频带内增益益起伏的控制制
经过上面合合理分配各级级增益，使得各级带宽满足足要求，四级级级联后，11~80 MHz 内增益
起伏伏小于1 dB。为了尽可能能排除其他因素素影响增益起起伏，选用极极低电压噪声声芯片OPA8447 作
为第第一级放大，并调节直流流偏置。最终达到1~100 MMHz 内增益起起伏为0.9 dB 左右。
三、功能及技技术指标实现现方法
（1））前级放大电电路
第一级的作作用主要是进进行阻抗匹配和噪声抑制，，所以信号输输入端加了 50 Ω电阻接接地进
行匹匹配，并且使使用屏蔽线连接接信号源，从从而达到阻抗抗匹配和抑制制噪声的作用用。而电路本身又
必须须具有高信噪噪比，并尽量减减少噪声的带带人，尤其是是电源方面，除了采用在在总电源人口端用
大电电容进行滤波波外，还在芯芯片的电源入口处加了100 μF 和0.1 μμF 电容进行行滤波，并且且PCB
布局局及布线时，将电源和信号层布在不同同层上，地线线布置时，信信号地也尽量量远离电源地地。所
以第第一级需要花花精力去做精精做好。
第一级选择择的放大器芯芯片为OPA8477，设计将其其配置成8 倍倍的放大倍数，用±5V 电源供
电，能够很好地地实现降噪并并拓宽带宽的要求。图D‐‐1‐3 为OPA847 前级放大大电路图，电路可
以在在TI 软件TINNA 中进行仿真真。
（2））中间程控级级电路
中间级采用用两级串联的的VCA821，它它在放大20 dB 时的带宽宽仍可以达到到320 MHz，满足
题目目要求，其有有多种配置方式，不同的配配置方式随着着最大增益的的提高，带宽宽会下降，综合考
虑题题目的要求及及需要，本设设计将其配置为最大增益20 dB 的模式式，从而使其其带宽能达到到320
MHzz，并且采用两级级联，可以有更大的的可控范围，，从而满足题题目的要求：增益在0~660 dB
范围围内可调。
由于高增益益宽带放大电电路，直流零点点漂移是个需需要考虑的问问题，所以在在该两级连接接处加
入了了抑制直流零零点漂移电路路，以使小信号能大倍数放放大，而不失失真。图D‐11‐5 中Rio 即为调
直流流偏置电阻。图D‐1‐5 为两两级VCA8211 级联图，，电电路可以在TTI 软件TINA 中进行仿真真。
（3））末级放大电电路
末末级采用一级级THS3091 作作为功率放大大，它是电流流反馈放大电电路，其优点点是电路带宽受增
益的的影响较小，可以在放大的同时，满足足带宽要求，带宽主要受受反馈电阻的的影响，因此我们
根据据芯片手册上上的电路对其其外围电路进行设计，虽然然其推荐电压压是115 V，但考虑到系统的
噪声声及供电，采采用可行的±5V 对其供电电，使THS30091 的通频带带较高。经过过几次尝试，选择
增益益为10 倍（但但其输入端有有个50 S}对50n 的阻抗匹匹配，所以整整体为放大55 倍），带宽超出
100 MHz，且带内平坦度好，，能够满足题题目的带负载载能力，图DD‐1‐7 为末级级THS3091 放放大电
路图图，，电路可以以在TI 软件TINA 中进行行仿真。
（4））电源电路设设计
直流稳压电电源采用通过过变压器、7815 芯片、78805 芯片，将将220 V 转换换为±12V 和±5V
直流流电源，给整整体电路供电电。
四、电路测量量
（1））电路仿真与与级联调试
运用电路仿仿真软件先对对每一级电路进行软件仿真真，调整参数数，达到要求求后焊接电路路，进
行单单级测量，包包括是否达到到预定增益指标，增益起伏伏是否满足要要求等。
成功后，将将四级级联，整整体测试，初初步得出结果果，再将电路路进行固定，调整布局，进行
指标标测量及电路路参数修改，最后进行装箱调试。
（2））测试条件与与仪器
测试条件：检检查多次，仿仿真电路和硬件电路必须与与系统原理图图完全相同，并且检查无无误，
硬件件电路保证无无虚焊。
测试仪器：示波器（Aggilent 350 MMHz )；数字万用表（Agilent 34460AA )；函数发生器
（Aggilent33522BB）。
（3））测试结果及及分析
将各级电路路级联起来，模拟电压输出至VCA8211，手动调节节增益。测试试最大放大倍倍数、
带宽宽、噪声，测测试相关参数数。
① 宽平坦坦度、截止频频率测试：当当供电电压为±5V 时，输输入有效值Ui=1 mV，增益为
60dB 时时，测量出输输入信号频率与增益之间的关系，列表表。
② 噪声测试试：在增益大大于60 dB 的的情况下，将将输入接地，测得输出噪噪声等于1300 mV
峰峰值，离题目要求求存在一些差差距。经过分分析，可能是是级与级连接接时，虽采用屏蔽
线，但仍不如直接将将各级画在一一块板子上效效果好；中间间级和最后一一级功率放大大中，
放大器本本身存在电压压噪声，选择择时，并未考虑得很周到，，被引入电路路；地线布置中，
未能将信信号地和电源源地很好地隔隔离，地线产产生了一定的的影响。
③ 增益特特性测试：当当供电电压为为土5V，输入入信号频率为为10 MHz，最最小输入为11 mV
有效值时，输出最大大为峰峰值66.484 V。当输入为20 mmV 有效值时时，输出最小为峰
峰值200 mV 。
五、作品成效效总结分析
根据实测数数据表明，在在设计中，选用OPA847 , VCA821 和TTHS30} 1 分别别作为前级放放大、
中间间级程控和末末级放大的电电路组合，很好好地满足了输输入小于1 mmV 有效值时时，增益在0 一一60
dB 范范围内连续可可调，1~100 MHz 范围内内增益起伏小小于1 dB，上上限频率达到到140 MHz，以及
输出出电压值，噪噪声，输入、输出阻抗等性能指标要求求。
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