專利名稱：一種輸出穩(wěn)定的高增益線性放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高增益線性放大器，尤其涉及用于對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行放大輸出的放大O背景技術(shù)
中低頻采樣信號(hào)放大器、多普勒信號(hào)放大器多用于對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行放大輸出。這些 弱信號(hào)高增益線性放大器，其信號(hào)能否穩(wěn)定輸出是必然要考慮的問題?，F(xiàn)有技術(shù)中，高增益 多級(jí)放大器采用將放大器的電源或地之間通過電抗隔離的方式或者在每級(jí)放大器的電源 端采用近地去藕的方式亦或每級(jí)放大輸出采用輸出信號(hào)限幅電路等方式實(shí)現(xiàn)。但這些方法 都增加了電路的元器件數(shù)量，使本來復(fù)雜的多級(jí)放大器結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種能夠保證輸出信號(hào)穩(wěn)定的弱信號(hào)高增益線性放大器。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種輸出穩(wěn)定的高增益線性放 大器，其用于控制弱信號(hào)穩(wěn)定地輸出，它由依次相級(jí)聯(lián)耦合的前置放大電路、低通濾波電 路、中級(jí)兩級(jí)放大電路以及后續(xù)兩級(jí)放大電路組成，所述的前置放大電路的帶寬與低通濾 波電路的帶寬相一致，所述的低通濾波電路的截止頻率為輸入信號(hào)的帶寬值；所述的中級(jí) 兩級(jí)放大電路中其后級(jí)放大電路的帶寬大于輸入信號(hào)的帶寬并小于前級(jí)放大電路的帶寬， 且前級(jí)放大電路的帶寬小于十倍的輸入信號(hào)帶寬；所述的后續(xù)兩級(jí)放大電路輸入阻抗相 同，且其前級(jí)電路帶寬在1 10倍輸入信號(hào)帶寬之間，其后級(jí)電路帶寬大于信號(hào)帶寬并小 于前級(jí)電路帶寬，故整個(gè)放大器在帶寬和增益上相匹配。
對(duì)上述技術(shù)方案解釋如下
設(shè)定前置放大電路單位增益帶寬為X，放大倍數(shù)在y倍左右，則前置放大電路的帶 寬為 z(z ^ x/y)。
設(shè)定低通濾波電路單位增益帶寬為C、放大倍數(shù)為a倍、截止頻率為d，那么，該低 通濾波器的帶寬為c/a ；截止頻率d應(yīng)為信號(hào)的最大帶寬值。按照上述方案，低通濾波電路 的帶寬應(yīng)與前置放大電路的帶寬相一致即c/a = z，因此，可以根據(jù)前置放大電路的帶寬來 選擇低通濾波器的帶寬配置。截止頻率d應(yīng)小于前置放大電路的帶寬。
同樣，設(shè)定中級(jí)兩級(jí)放大電路中的前級(jí)放大倍數(shù)為e倍，后級(jí)放大倍數(shù)為f倍，c為 中級(jí)放大電路的單位增益帶寬。所以，前級(jí)放大電路帶寬為g = c/e，后級(jí)放大電路帶寬為 h = c/f,為達(dá)到帶寬匹配的要求，后級(jí)帶寬h應(yīng)小于前級(jí)帶寬g，且前級(jí)帶寬g應(yīng)小于10女 d，同時(shí)，后級(jí)帶寬h應(yīng)大于信號(hào)帶寬d。
后續(xù)兩級(jí)放大電路的帶寬匹配關(guān)系也應(yīng)滿足如下要求其前級(jí)帶寬ρ應(yīng)小于信號(hào) 帶寬的10倍數(shù)值(10女d)，但要大于信號(hào)帶寬d;后級(jí)帶寬q小于前級(jí)帶寬P，且大于信號(hào) 帶寬d。故按照上述關(guān)系，我們可以選定兩級(jí)放大電路的單位增益帶寬和放大倍數(shù)，若后續(xù) 兩級(jí)放大電路的單位增益帶寬為n，前級(jí)放大倍數(shù)為k，后級(jí)放大倍數(shù)為m，即前級(jí)帶寬ρ =3n/k，后級(jí)帶寬q = n/m。同時(shí)，兩級(jí)放大電路的輸入阻抗應(yīng)相同，這樣，信號(hào)依次經(jīng)過前置放 大電路、低通濾波電路、中級(jí)兩級(jí)放大電路以及后續(xù)兩級(jí)放大電路匹配后將被放大且穩(wěn)定 地輸出，由于上述匹配設(shè)計(jì)，保證了輸出信號(hào)飽和且不振蕩。
進(jìn)一步地，各級(jí)所述的電路主要由運(yùn)算放大器構(gòu)成，通過設(shè)置各電路運(yùn)算放大器 的單位增益帶寬與放大倍數(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)放大器的帶寬和增益匹配。
各運(yùn)算放大器之間通過阻容相級(jí)聯(lián)。
由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明在多級(jí)放大電路之間采用 帶寬匹配和增益匹配的方式，使得整個(gè)線性放大器在中低頻帶寬內(nèi)，能將若信號(hào)從UV級(jí)放 大到mV級(jí)信號(hào)，且輸出信號(hào)不振蕩，在硬件上，可采用集成運(yùn)算放大器，從而使得整個(gè)放大 器的結(jié)構(gòu)比較簡潔。


附圖1為根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案所具體實(shí)施的一種高增益線性放大器電路其中1、前置放大電路；2、低通濾波電路；3、中級(jí)放大電路；4、后續(xù)兩級(jí)放大電 路；具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明優(yōu)選的具體實(shí)施例進(jìn)行說明
如圖1所示的高增益線性放大器，其主要由前置放大電路1、低通濾波電路2、中級(jí) 兩級(jí)放大電路3以及后續(xù)兩級(jí)放大電路4相級(jí)聯(lián)而成。本實(shí)施例中，各電路主要由運(yùn)算放 大器構(gòu)成，具體地，前置放大電路1主要由運(yùn)放Ni、并聯(lián)連接在運(yùn)放m的反相輸入端與輸 出端之間的電容C2和電阻R2組成，運(yùn)放m的反相輸入端通過一電阻Rl接輸入信號(hào)，運(yùn)放 Ni的同相輸入端接地，在本實(shí)施例中，運(yùn)放m采用一低噪聲集成單運(yùn)放芯片實(shí)現(xiàn)。
低通濾波電路2由兩級(jí)運(yùn)算放大器N2A和N2B相級(jí)聯(lián)而成，具體地，運(yùn)放N2A的同 相輸入端通過電阻R3、R4與前置放大電路1的運(yùn)放m輸出端相電連接，運(yùn)放N2A的反相輸 入端與其輸出端相電連接，且在運(yùn)放N2A的同相輸入端與輸出端之間電連接有電容C4;運(yùn) 放N2B的同相輸入端通過電阻R5、R6與運(yùn)放N2A輸出端相電連接，運(yùn)放N2B的反相輸入端 與其輸出端相電連接，且在運(yùn)放N2B的同相輸入端與輸出端之間電連接有電容C6 ；
中級(jí)兩級(jí)放大電路3由運(yùn)放N2C和運(yùn)放N2D相級(jí)聯(lián)而成，且運(yùn)放N2C的反相輸入 端與低通濾波電路2的第二級(jí)運(yùn)放N2B的輸出端通過電阻R7相電連接，在本實(shí)施例中，低 通濾波電路2以及中級(jí)兩級(jí)放大電路3的運(yùn)放可采用一具有四運(yùn)放的集成芯片實(shí)現(xiàn)，圖中 示出了具體連接引腳。
后續(xù)兩級(jí)放大電路4由運(yùn)放N3C和NIBS相級(jí)聯(lián)而成，該后續(xù)兩級(jí)放大電路仍可采 用一四運(yùn)放集成芯片加外圍元器件組成。故，整個(gè)高增益線性放大器在硬件實(shí)現(xiàn)上，需要三 片集成運(yùn)放芯片即可實(shí)現(xiàn)，且其外圍電路較簡單，易于實(shí)現(xiàn)。
上述對(duì)本發(fā)明高增益線性放大器的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，為了達(dá)到信號(hào)穩(wěn)定輸 出，本申請(qǐng)中，對(duì)各電路之間采用增益匹配和帶寬匹配的方式，針對(duì)該匹配方式，可對(duì)各電 路的參數(shù)進(jìn)行配置
前置放大電路1的帶寬應(yīng)與低通濾波電路2的帶寬相一致，由于前置放大電路的帶寬與其運(yùn)放的單位增益帶寬以及放大倍數(shù)相關(guān)，即，若運(yùn)放單位增益為χ，放大倍數(shù)為y， 則其帶寬ζ為χ/y。因此，當(dāng)帶寬確定后，我們可以調(diào)整前置放大電路1外圍電阻電容的大 小，改變其放大倍數(shù)，從而得到需要的帶寬。
低通濾波電路2及中級(jí)兩級(jí)放大電路3采用相同的運(yùn)放，假設(shè)各運(yùn)放的單位增益 帶寬為c，故其帶寬ζ、放大倍數(shù)以及單位增益a之間的關(guān)系為z = C/a，故通過選擇運(yùn)放的 增益及調(diào)整外圍參數(shù)可獲得需要的帶寬，使得該低通濾波電路的帶寬與前置放大電路帶寬相一致。
同時(shí)，需要說明的是，對(duì)低通濾波器的截止頻率d也應(yīng)進(jìn)行設(shè)定，該截止頻率d應(yīng) 為信號(hào)的最大帶寬。
中級(jí)兩級(jí)放大電路的帶寬之間的匹配關(guān)系應(yīng)滿足后級(jí)帶寬h應(yīng)大于信號(hào)帶寬d 而小于前級(jí)帶寬g，同時(shí)，前級(jí)帶寬g不能大于10 * d，故按照此設(shè)定，前級(jí)放大電路的放大 倍數(shù)e = c/g，后級(jí)放大電路的放大倍數(shù)f = c/h,由此，可進(jìn)行中級(jí)兩級(jí)放大電路的參數(shù)設(shè)置。
后續(xù)兩級(jí)放大電路在帶寬匹配上應(yīng)滿足前級(jí)帶寬ρ小于信號(hào)帶寬的10倍數(shù)值 (10 * d)，但大于信號(hào)帶寬d;后級(jí)帶寬q小于前級(jí)帶寬P，但大于信號(hào)帶寬d;故若選擇的 運(yùn)放單位增益帶寬為n，則前級(jí)放大倍數(shù)應(yīng)為k = η/ρ ；后級(jí)放大倍數(shù)應(yīng)為q = n/m。同時(shí)， 在阻抗上，兩級(jí)放大電路的阻抗應(yīng)相同。
根據(jù)上述原理，如下給出一具體示例
圖1中，前置放大電路1的運(yùn)放附的單位增益帶寬為63MHz，放大倍數(shù)設(shè)為6. 4倍， 且前置放大電路等效輸入噪聲電壓頻譜密度4.SnV ‘、偏置電流IB ( 0. 04μ A，則 前置放大電路的帶寬為IOMHz (63ΜΗζ/6. 4 ^ IOMHz)左右，信號(hào)經(jīng)該前置放大電路放大16dB左右；
低通濾波電路2的運(yùn)放N2A和N2B單位增益帶寬為10MHz，1倍增益，截止頻 率180kHz，即為信號(hào)的最大帶寬。從而電路帶寬與前置放大電路帶寬一致，為IOMHz = 10MHz/l ；
中級(jí)兩級(jí)放大電路3的運(yùn)放N2C和N2D單位增益帶寬也為10MHz，前級(jí)放大設(shè)定為 10倍，后級(jí)放大50倍，故前級(jí)帶寬為lOMHz/lO = 1000kHz，后級(jí)帶寬為10MHz/50 = 200kHz, 由上述原理，前級(jí)帶寬應(yīng)小于10倍的信號(hào)帶寬，S卩IOOOkHz小于180kHz女10，故中級(jí)兩級(jí) 放大電路仍保持180kHz信號(hào)帶寬，和低通濾波器截止頻率180kHz相匹配。經(jīng)中級(jí)兩級(jí)放 大電路3后，信號(hào)再被放大MdB左右；
最后，后續(xù)兩級(jí)放大電路4的運(yùn)放單位增益帶寬設(shè)定為3MHz，前級(jí)放大放大2倍 以上，后級(jí)放大6. 6倍，兩級(jí)輸入阻抗相同(阻抗匹配)，前級(jí)帶寬最高為1500kHz (3MHz/2 =1500kHz)，其小于信號(hào)帶寬180kHz的10倍數(shù)值，大于180kHz信號(hào)帶寬；后級(jí)帶寬最高 為455kHz (3MHz/6. 6 = 455kHz)，其小于前級(jí)1500kHz帶寬，也小于信號(hào)帶寬180kHz的10 倍數(shù)值，大于180kHz信號(hào)帶寬，和前級(jí)一致。信號(hào)經(jīng)該后續(xù)兩級(jí)放大電路增益匹配和帶寬 匹配后再放大22dB，按照上述方式，將180kHz帶寬內(nèi)小信號(hào)共放大92dB以上，保證了輸出 信號(hào)穩(wěn)定輸出，且飽和輸出不振蕩。
上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人 士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種輸出穩(wěn)定的高增益線性放大器，其用于控制弱信號(hào)穩(wěn)定地輸出，其特征在于 它由依次相級(jí)聯(lián)耦合的前置放大電路、低通濾波電路、中級(jí)兩級(jí)放大電路以及后續(xù)兩級(jí)放 大電路組成，整個(gè)放大器帶寬和增益上相匹配，具體設(shè)置為所述的前置放大電路的帶寬與 低通濾波電路的帶寬相一致，所述的低通濾波電路的截止頻率為輸入信號(hào)的帶寬值；所述 的中級(jí)兩級(jí)放大電路中其后級(jí)放大電路的帶寬大于輸入信號(hào)的帶寬并小于前級(jí)放大電路 的帶寬，且前級(jí)放大電路的帶寬小于十倍的輸入信號(hào)帶寬；所述的后續(xù)兩級(jí)放大電路輸入 阻抗相同，且其前級(jí)電路帶寬在1 10倍輸入信號(hào)帶寬之間，其后級(jí)電路帶寬大于信號(hào)帶 寬并小于前級(jí)電路帶寬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出穩(wěn)定的高增益線性放大器，其特征在于各級(jí)所述的電 路主要由運(yùn)算放大器構(gòu)成，通過設(shè)置各電路運(yùn)算放大器的單位增益帶寬以及各電路的放大 倍數(shù)以實(shí)現(xiàn)帶寬和增益匹配的設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸出穩(wěn)定的高增益線性放大器，其特征在于各運(yùn)算放大器 之間通過阻容相級(jí)聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的輸出穩(wěn)定的高增益線性放大器，其特征在于所述的前 置放大電路的運(yùn)算放大器采用一集成運(yùn)放芯片外設(shè)阻容實(shí)現(xiàn)，所述的低通濾波電路與中級(jí) 兩級(jí)放大電路采用一四運(yùn)放集成芯片外設(shè)阻容實(shí)現(xiàn)，所述的后續(xù)兩級(jí)放大電路采用一四運(yùn) 放集成芯片外設(shè)阻容實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種輸出穩(wěn)定的高增益線性放大器，它由依次相級(jí)聯(lián)耦合的前置放大電路、低通濾波電路、中級(jí)兩級(jí)放大電路以及后續(xù)兩級(jí)放大電路組成，所述的前置放大電路的帶寬與低通濾波電路的帶寬相一致，低通濾波電路的截止頻率為輸入信號(hào)的帶寬值；中級(jí)兩級(jí)放大電路中其后級(jí)放大電路的帶寬大于輸入信號(hào)的帶寬并小于前級(jí)放大電路的帶寬，且前級(jí)放大電路的帶寬小于十倍的輸入信號(hào)帶寬；后續(xù)兩級(jí)放大電路輸入阻抗相同，且其前級(jí)電路帶寬在1～10倍輸入信號(hào)帶寬之間，其后級(jí)電路帶寬大于信號(hào)帶寬并小于前級(jí)電路帶寬，故整個(gè)放大器在帶寬和增益上相匹配。通過在多級(jí)放大電路之間采用帶寬匹配和增益匹配的方式，能將若信號(hào)從uV級(jí)放大到mV級(jí)信號(hào)，且輸出信號(hào)不振蕩。
文檔編號(hào)H03F3/45GK102035485SQ20101052422
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者馮業(yè)勝, 劉海亮, 張劍, 桑泉 申請(qǐng)人:中國兵器工業(yè)集團(tuán)第二一四研究所蘇州研發(fā)中心