换能器前置放大电路设计

项目支持：北京市科技攻关项目，农业节水灌溉监测与控制设备研制与开发（D0706007040191）国家“十一五”科技支撑计划农产品流通过程信息化关键技术与系统研发（2006BAD10A04）

国家“十一五”科技支撑计划灌区地下水开发利用关键技术（2006BAD11B05）

微弱信号检测的前置放大电路设计

张石锐1，2，郑文刚2*，黄丹枫1，赵春江2

（1.上海交通大学农业与生物学院上海市 200240

2.国家农业信息化工程技术研究中心北京市 100097）

摘要：针对精准农业中对微弱信号检测的技术需求，论文设计了以电流电压转换器，仪表放大器和低通滤波器为主要结构的微弱信号检测前置放大电路。结合微弱信号的特点讨论了电路中噪声的抑制和隔离，提出了电路元件的选择方法与电路设计中降低噪声干扰的注意事项。本文利用集成程控增益仪表放大器PGA202设计了微弱信号检测前置放大电路，并利用微弱低频信号进行了测试，得到了理想的效果。

关键字：精准农业、微弱信号检测、仪表放大器、前置放大电路

中图分类号：TN721.5 文献标识码：A

The design of preamplifier circuit based on weak signal detection ZHANG Shi-rui1，2，ZHENG Wen-gang2，HUANG Dan-feng1，ZHAO Chun-jiang2

(1. School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

2. National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing,

100097, China)

Abstract：Combined with the demand of the detection of weak signal in precision agriculture, the article introduced the circuit principle of deigning preamplifier circuit whit I/V Conversion level, instrumentation amplifier level and low-pass filter level. At the same time the article discussed the circuit's noise suppression and isolation according to the characteristics of the weak signal, and gave the method of choosing elements and noise reduction. Finally, gave the design of the weak signal detection pre-amplifier using the program-controlled integrated instrumentation amplifier PGA202.

Key words: precision agriculture ，weak signal detection, instrumentation amplifier, preamplifier 1、引言

精准农业主要是依据实时获取的农田环境和农作物信息，对农作物进行精确的灌溉、施肥、喷药，最大限度地提高水、肥和药的利用效率，减少环境污染，获得最佳的经济效益和生态效益[1]。农田环境和农作物信息的准确获取取决于可靠的生物传感技术。如常规精准灌溉主要关注空气的温度、湿度和土壤的含水量，利用这些参数的变化控制对农作物的灌溉，而作物自身产生的一些信号能够更准确的反映其自身的生理状况，通过检测这些信号控制灌溉可以使灌溉更精确。目前精准灌溉技术正朝着以环境信息和农作物生理信息相结合为控制依据的方向发展，为此各种生物传感器如植物电信号传感器、植物茎流传感器等应运而生。但一般作物自身生理状况产生的信号极其微弱，往往电流信号只能达到纳安级，电压信号也只能达到微伏级。为有效的利用这些信号，应首先对其进行调理，本文根据植物生理信号的特点设计了适合此类微弱信号检测的前置放大电路。

2、电路基本结构

生物传感器所产生的信号一般为频率较低的微弱信号，检测不同的植物生理参数，可能得到电压或电流信号。对于电流信号，应首先把电流信号转换成为电压信号，通过放大电路的放大，最后利用低通滤波器，滤除混杂在信号中的高频噪声。微弱信号检测前置放大电路的整体结构如图1。

考虑到传感器产生的信号非常微弱，很容易受到噪声的污染，所以放大电路选择仪表放大器结构。仪表放大器拥有差分式结构，对共模噪声有很强的抑制作用，同时拥有较高的输入阻抗和较小的输出阻抗，非常适合对微弱信号的放大。另外为了使输出电压在高频段以更快的速度下降，提高低通滤波器滤除噪声的能力，这里选择了二阶低通滤波器。微弱信号检测前置放大电路原理图如图2。生物传感器产生的生物信号通常具有很大的动态范围，达到几个数量级，原理图中R2为可变电阻，通过改变R2的阻值，可以改变仪表放大器的放大

倍数，从而适应放大不同大小的微弱信号。

图2 微弱信号检测前置放大电路原理图

3、噪声的抑制和屏蔽

在微弱信号检测的过程中，噪声的抑制和屏蔽至关重要，由于信号微弱，很容易受到噪声污染，这些噪声主要由环境噪声、电路元器件自身产生的噪声和电源的工频噪声组成，因此在噪声的抑制和屏蔽上要综合考虑这几方面的因素。 3.1 元器件的选择

在进行微弱信号检测过程中，为了减少集成运算放大器对电路的干扰，应选择接近理想运算放大器的芯片。主要参数的要求是具有较小的输入偏执电流、输入偏执电压和零漂，具有较大的共模抑制比和输入电阻。特别是电流电压转换级对集成运放的要求较高，一般需要运放的输入偏执电流在pA 级。目前市面上有很多满足条件的集成运算放大器，如AD8571、LMC6482、LF351和OPA2703等。

电路中的仪表放大级通常设计为程控放大倍数的结构，通过程控开关调整反馈电阻的大小，从而改变放大倍数。为了对数字电路和模拟电路进行隔离，程控开关应选用光偶开关。为了提高仪表放大器的性能，可以选用集成仪表放大器。很多公司提供了不同类型的集成仪表放大器，如INA127，它内部集成了仪表放大器的主要结构，有很好的对称性，可通过改变外接电阻的大小改变放大倍数。PGA202是一款可程控放大倍数的仪用放大器，应用它可以简化电路结构，但PGA202需要搭建差分输入级，这样就降低了共模抑制能力。2007年

模数转换

图1 微弱信号检测前置放大电路的整体结构

末ADI 公司推出的AD8253芯片集以上两种芯片的优点于一身，不但集成了完整的仪表放大电路，还集成了程控放大倍数的逻辑电路，是微弱信号检测前置放大电路的理想选择。 3.2 工频噪声和环境噪声的隔离

工频噪声是影响电路的主要噪声，通常可通过电路的电源传递到电路中。为了减少这种影响，在电路设计时应在连接电源处增加旁路电容，隔离电源的交流噪声。除了这些措施外，为了滤除50Hz 的工频干扰，还可以在模数转换时采用具有50Hz 陷波的模数转换器。另外，数字电路部分与模拟电路部分分别接地，尽量减少模拟电路的接地点同时采用画圈接地的方法都可以有效的隔离噪声。 4、电路的设计与实现

综合考虑微弱信号检测的需要和市场上芯片的供应情况，本文选用PGA202搭建仪表放大器，对微弱信号检测前置放大电路进行了整体设计。 4.1 PGA202简介

这里所选用的PGA202是由BURR-BROWN 公司生产的，PGA202是一种程控仪表放大器，它内部集成了程控的增益改变逻辑电路。由于省去了增益控制部分，利用PGA202搭建仪表放大器可以使电路结构得到很大的简化，并且它的放大倍数稳定精确，为后续的数据处理提供了方便。PGA202的内部结构如图3。

图3 PGA202的内部结构

在图 3中可以看到， A 0和A 1为数字程控信号的输入端，控制PGA202中集成的前置逻辑电路，通过改变A 0、A 1的值可以使仪表运算放大器的倍数在1、10、100和1000之间改变。

4.2 滤波器的设计

为了加强滤波器滤除噪声的能力，笔者采用了二阶低通滤波器，并在滤波器的设计过程中选择了同样的电容电阻组合。滤波器的截止频率可通过公式RC

f 1

200=

=πω来进行计算，由于生物传感器的信号多为低频信号，因此可以将低通滤波器的截止频率设计的低一些。在笔者所设计的电路中，电阻值100k Ω，电容值33nF ，截止频率为48Hz 。 4.3 电路设计

为了提高仪表放大器差分输入级的对称性，同时满足零漂、输入偏执电流、输入偏执电压等参数的需求，选用了性能参数较好并且同一芯片中含有两个运算放大器的OPA2277作为仪表放大器的差分输入级。在电压电流转换级采用了性能参数更为理想的集成运放

AD8571，AD8571的输入偏执电流为20-70pA ，输入偏执电压为1uV ，共模抑制比达到120-140dB ，可以满足I/V 转换输入级对运放性能的要求。在实际的电路设计中还考虑了噪声的隔离，为减少电源的工频噪声对电路的影响，芯片连接电源处分别并联了0.1uF 的旁路电容。另外为降低环境噪声对输入信号的污染，将电路的输入点放在了画圈接地的圈中，利用接地圈对环境噪声起到屏蔽作用。整体电路的设计如图4所示。

图4 应用PGA202的微弱信号检测前置放大电路设计

4.4 电路的测试

本文按照图4制作了电路板，选择R0的大小为1k Ω，对电路的性能进行了测试。测试过程采用TFG2300数字合成信号发生器产生20H 正弦信号，通过串联500 k Ω高精度电阻分压后接入电路。设信号发生器产生信号的振幅为A ，仪表放大器的输入信号的振幅可以通过公式00

500R R k A

A in +=

计算。采用TDS1002数字示波器观察到电路输出了较平滑的正

弦波形。表1中给出了A 1、A 0分别为11、10时电路的测试数据。通过表1可以看出放大器的放大倍数稳定增益误差较小。

表1 电路测试结果

A 1A 0 信号发生器产

生信号振幅（mV） 输入信号振幅

（uV） 输出信号振幅

(V) 放大倍数(104

)A 1A 0信号发生器产生信号振幅（mV） 输入信号振幅

（uV） 输出信号振幅

（V） 放大倍数(103

) 5

9.98 2.16 2.16450 99.8 2.15 2.1547.5 14.97 3.23 2.15775 149.7 3.25 2.17110 19.96 4.34 2.174100 199.6 4.31 2.15911 15

29.94

6.44

2.150

10

150

299.4

6.48

2.164

放大倍数均值：2.161×104

增益误差：0.8% 放大倍数均值：2.162×103

增益误差：0.55%

5、结论

本文中所讨论的微弱信号检测前置放大电路适用于精准农业中的生物传感器。运用本文所阐述的降噪方法，有效的抑制和屏蔽了可能对电路造成影响的各种噪声，如环境噪声、工频噪声等。通过利用微弱低频信号对以程控增益集成仪表放大器PGA202为核心的微弱信号检测前置放大电路进行测试，得到了较为理想的结果，说明该电路可以在微弱信号的检测过程中得到应用。

本文创新点：本文针对精准农业中对微弱信号检测的需求，结合屏蔽和抑制噪声的措施，利用PGA202设计了完整的微弱信号检测前置放大电路。

参考文献：

[1]汪懋华 “精细农业”发展与工程技术创新[J] 农业工程学报 1999 .3 1-8

[2]王凤花，张淑娟 精细农业田间信息采集关键技术的研究进展[J] 农业机械学报 2 0 0 8.5 112-121

[3]李远明，陈文涛 微弱光信号前置放大电路设计[J] 设计参考 2007.8 51-53

[4] 孙成正，尹文庆，赵建平，李 亮 植物电信号前置放大电路的设计与仿真[J] 电子测量 技术 2007.7 168-171

[5]戴彬，陈迪平，刘文用 一种新型超宽带CMOS低噪声放大器设计[J] 微计算机信息 2007 10-2 236-238

[6] 王云景 程控仪表放大器PGA202/203的原理与应用[J] 国外电子元器件1999.10 29-30

[7] 秦金华，刘小方，高成强，宋海荣 基于AD603 的超声微弱信号检测研究[J] 自动测量与控制2007.11 68-69

[8]康华光电子技术基础模拟部分（第四版）[M] 高等教育出版社1999年

作者简介：张石锐（1985- ）男内蒙古赤峰市硕士研究生

Biography: ZHANG Shi-rui (1985-), male, Inner Mongolia, Shanghai Jiao Tong University, Master student.

所投栏目：嵌入式与SOC专题电子设计

通讯作者：郑文刚

低频功率放大器电路设计

参加全国大学生电子设计大赛的同学们加 油了！ 低频功率放大器设计与总结报告 作者：王汉光 一、任务 设计并制作一个低频功率放大器，要求末级功放管采用分立的大功率MOS 晶体管。 二、要求 1．基本要求 （1）当输入正弦信号电压有效值为5mV时，在8Ω电阻负载（一端接地）上，输出功率≥5W，输出波形无明显失真。 （2）通频带为20Hz～20kHz。 （3）输入电阻为600Ω。 （4）输出噪声电压有效值V0N≤5mV。 （5）尽可能提高功率放大器的整机效率。 （6）具有测量并显示低频功率放大器输出功率(正弦信号输入时)、直流电源的供给功率和整机效率的功能，测量精度优于5%。

2. 发挥部分 （1）低频功率放大器通频带扩展为10Hz～50kHz。 （2）在通频带内低频功率放大器失真度小于1%。 （3）在满足输出功率≥5W、通频带为20Hz～20kHz的前提下,尽可能降低输入信号幅度。 （4）设计一个带阻滤波器，阻带频率范围为40～60Hz。在50Hz频率点输出功率衰减≥6dB。 （5）其他。 摘要： 本系统采用了NE5534p作为前级的电压放大电路来给低通功率放大电路提供输入电压，通过低通功率放大电路将功率放大，由双踪示波器对整个系统的输入输出端进行监测，调节可变电阻，使输出波形无明显失真，从而使输出功率达到指定的输出功率要求。输入的频率范围为20Hz~20kHz。 一．概述： 本系统通过信号发生器输入电压为5mV，频率在20Hz~20kHz范围内的信号，对信号进行功率放大，低通功率放大器模块由+/-15V的直流电源提供，通过前级放大电路将输入电压放大，再由低通功率放大电路进行功率放大。在此期间，用示波器监测低通功率放大模块的输入输出端，观察波形是否失真，以及测量最大最小不失真频率。 二．系统工作原理及分析： 此系统由三部分组成，分别为电源模块、前级放大模块、低频功率放大模块。 如图所示：

设计一个射频小信号放大器[1]要点

射 频 课 程 设 技 论 文 院系：电气信息工程学院 班级：电信2班 姓名：贾珂 学号：541101030211

1射频小信号放大器概述 射频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路，它所放大的信号频率在数百千赫至数百兆赫。高频小信号放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大，所谓小信号,一是信号幅度足够小,使得所有有源器件(晶体三极管,场效应管或IC)都可采用二端口Y参数或线性等效电路来模型化;二是放大器的输出信号与输入信号成线性比例关系.从信号所含频谱来看，输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的。 小信号放大器的分类：按元器件分为：晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器; 按频带分为：窄带放大器、宽带放大器; 按电路形式分为：单级放大器、多级放大器; 按负载性质分为：谐振放大器、非谐振放大器;. 小信号谐振放大器除具有放大功能外,还具有选频功能,即具有从众多信号中选择出有用信号,滤除无用的干扰信号的能力.从这个意义上讲,高频小信号谐振放大电路又可视为集放大,选频一体,由有源放大元件和无源选频网络所组成的高频电子电路.主要用途是做接收机的高频放大器和中频放大器. 其中射频小信号调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是非常微弱的，这就需要用放大器将其放大。高频信号放大器理论非常简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。本文以理论分析为依据，以实际制作为基础，用LC振荡电路为辅助，来消除高频放大器自激振荡和实现准确的频率选择；另加其它电路，实现放大器与前后级的阻抗匹配。2电路的基本原理 图2-1所示电路为共发射极接法的晶体管高频小信号单级单调谐回路谐振放大器。它不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此，晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。在高频情况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数等会影响放大器输出信号的频率或相位。晶体管的静态工作点由电阻R b1、R b2及Re决定，其计算方法与低频单管放大器相同。

宽带放大器前级放大电路

宽带放大器(A题) 摘要 本作品主要由增益放大器OPA820ID和功率放大芯片THS3091D,分别实现增益信号的调节和末级功率的放大，在20HZ到5MHZ带宽范围之间的小信号进行有效的放大，实现增益0dB到100dB之间连续可调，最大不失真输出电压有效值不小于10V，利用DC—DC变换器TPS61087DRC为末级放大电路供电。系统主要由三个模块组成：前级放大电路；功率放大电路；供电电路，本设计在放大电路中设计了相位补偿电路和防止产生自激振荡电路，由于电路限用单电源供电，所以在电路设计时加入了合适的偏置。 关键词：宽带增益放大器 OPA820ID TPS61087DRC THS3091D

一方案选择与论证： 分析设计题目的各项要求，放大器的增益调节是重点，而功率放大是本题的难点，因此有以下的方案选择与论证。 1增益放大电路部分 方案一：采用TI公司提供的OPA820ID芯片，采用反相输入比例运算放大电路，设计简单，但容易产生自激振荡，电路稳定性差，不选用此方案。 方案二：采用多级放大器的级联实现增益放大，通过模拟开关选择信号的级联放大，每一级实现不同的增益放大，最终实现的增益等于各级增益之和。此方案原理简单，但需较多模拟开关和较多运放的级联，增加了系统的成本和不稳定性，而且调试难度较大，增加了本身的不稳定性。故放弃此方案。 方案三：采用TI公司提供的OPA820ID芯片，采用同相输入比例运算放大电路，设计简单，且能有效避免自激，稳定性好。采取此方案。 2功率放大部分 方案：由于题目要求采用THS3091ID，所以放弃使用分立元件实现的方 案，而使用集成高速功率放大器THS3091D，驱动负载能力较大，低噪声，采用并联三个THS3091D高速宽带放大器，电路简单，增益可调，而且方便调试，为防止自激，我们采用输入电压从反相输入端输入，由于THS3091D为单电源供电，所以在其同相输入端加入直流偏置电路，以使同相输入电压为Vcc/2.其原理图见下。总放大增益为16 dB。而其在输出端能实现大电流输出，完全满足题目要求，实现起来简便易行，易于调试，且噪音小。故采用此方案。 二理论分析计算： 1 增益分配： （1）前级放大电路以OPA820ID为核心，其频率上下限控制在10HZ-10MHZ，其电压增益不小于40db。前级放大电路有两级OPA820ID构成，为实现输入阻抗匹配，系统第一级为缓冲级，为扩展通频带，输入缓冲级增加一补偿电路。第一级放大倍数为16dB，在其同向输入端加入直流偏置。第二级放大倍数为16 dB。题目要求放大电路不失真时输出电压峰峰值大于10V。频率下限不大于20HZ，上限不小于5MH，而本电路对输入输出电压及频率都有限制，所以，必须合理分配各级放大器的放大倍数。 第一级电路由OPA820ID构成电压串联负反馈，在其同向输入端加入直流偏置电路以使其同相输入端电压稳定在Vpp/2，即2.5V。为展宽电路通频带，在其电路反向输入负载并联30pf可调电容。使并联后总的阻抗减小，频率增大，使高频顺利通过。起补偿作用。在此电路中，在OPA820ID电源端加入去耦电容和瓷珠。以稳定输出电压及起滤波作用。两级放大电路通过隔直电容级联。 末级放大电路以THS3091D为核心，其电压增益为16dB采用并联三个THS3091D高速宽带放大器，为防止自激，我们采用输入电压从反相输入端输入，由于THS3091为单电源供电，所以在其同相输入端加入直流偏置电路，以使同相输入电压为Vcc/2.其原理图见下。总放大增益为16dB。而其在输出端能实现

CMOS二级运算放大器设计

CMOS二级运算放大器设计 （东南大学集成电路学院） 一．运算放大器概述 运算放大器是一个能将两个输入电压之差放大并输出的集成电路。运算放大器是模拟电子技术中最常见的电路，在某种程度上，可以把它看成一个类似于BJT 或FET 的电子器件。它是许多模拟系统和混合信号系统中的重要组成部分。 它的主要参数包括：开环增益、单位增益带宽、相位阈度、输入阻抗、输入偏流、失调电压、漂移、噪声、输入共模与差模范围、输出驱动能力、建立时间与压摆率、CMRR、PSRR以及功耗等。 二．设计目标 1.电路结构 最基本的COMS二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如图所示。主要包括四部分：第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。 图两级运放电路图 2.电路描述 电路由两级放大器组成，M1~M4构成有源负载的差分放大器，M5提供该放大器的工作电流。M6、M7管构成共源放大电路，作为运放的输出级。M6 提供给M7 的工作电流。M8~M13组成的偏置电路，提供整个放大器的工作电流。相位补偿电路由M14和Cc构成。M14工作在线性区，可等效为一个电阻，与电容Cc一起跨接在第二级输入输出之间，构成RC密勒补偿。 3.设计指标 两级运放的相关设计指标如表1。

表1 两级运放设计指标 三．电路设计 第一级的电压增益： )||(422111o o m m r r g R G A == 第二级电压增益： )||(766222o o m m r r g R G A =-= 所以直流开环电压增益： )||)(||(76426221o o o o m m o r r r r g g A A A -== 单位增益带宽： c m O C g A GBW π2f 1 d == 偏置电流： 2 13 122121)/()/()/(2??? ? ??-=L W L W R L W KP I B n B 根据系统失调电压： 7 5 6463)/()/(21)/()/()/()/(L W L W L W L W L W L W == 转换速率： ? ?? ???-=L DS DS C DS C I I C I SR 575,min 相位补偿： 12.1)/()/()/()/(1 61311 146 6+== m m m C g g L W L W L W L W g R

大功率功率放大器电路的设计

大功率功率放大器电路设计 大功率功率放大器电路设计 一. 设计理念及实现方式 (1)能推4Ω、2Ω等双低音的“大食”音箱以及专业类大粗音圈的各类专业箱。 (2)要省电、噪声小，发热量小。 (3)音质要好，能适合家居使用和专业使用。 第一点的实现就是要有大的推动功率。由于目前居室客厅面积有不断扩大的趋势，100W ×2以下功放已显得有些“力不从心”，所以本功放设计为4ΩQ 时360W ×2，2Ω时720W ×2。 第二点的实现就是电路工作在静态时的乙类小电流，靠大水塘级电容和电阻进行滤波降噪，使功放级噪声极小。而电路的工作状态又决定了电路元件的发热量很小，与一般乙类电路相当。配备的大型散热系统是为了应付连续大功率、低阻抗输出时的安全、可靠。 第三点的实现是本功放板的主要目标。目前公认的是：甲类、MOS、电子管音质好，所以本功放要达到甲类、MOS、电子管的音质。 二.大功率输出的实现 要实现大功率，首先是电源容量要大。本功放配置的电源是在截面积为35mm ×60mm的环形铁心上绕制的环牛。一次侧为1.0mm线绕484圈，二次侧为1.5mm双线并绕100圈。 整流为两只40A全桥做双桥整流，滤波为4只47000 uF电容 2只2.7kΩ电阻并接在正负电源上，使电压稳定在±62V。如电压过高可减小电阻到2.2kΩ，过低可加大电阻到3kΩ，功率用3W以上的。 除电源外，要实现大功率输出，特别是驱动“大食”音箱，要求功放输出电流能力要强，本功放每声道选用6对2SD1037管做准互补输出，可驱动直流电阻低达0.5Ω的“大食”音箱。所以4Ω时360W×2、2Ω时720W×2是有保障的。 三. 甲类、MOS、电子管音质的实现 目前人们公认的甲类、MOS、电子管的音质最好，所以本功放电路设计动态时工作于甲类的最佳状态，偏流随信号大小而同步增减，所以音质是有技术保障的。而在此工作状态下，即使更换几只一般的MOS管，对音质的提高也不明显。下面给出其原理图，如图1所示。从图1上可见到本原理图相当简洁，比一般乙类或甲乙类准互补电路还节省元件。而通过在电路板上改变一只电阻的接法就可方便地在本电路与准互补乙类或甲乙类之间变换。 四.绿色环保概念的实现 对本功放来说，实现低耗电、低噪声污染、低热辐射污染是通过以下措施实现的： (1)本功放空载时只有小电流级工作，而功率管基极电压只有0.45V，基本上是截止的，所以比一般乙类耗电少，属节电型功放。

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项目支持：北京市科技攻关项目，农业节水灌溉监测与控制设备研制与开发（D0706007040191）国家“十一五”科技支撑计划农产品流通过程信息化关键技术与系统研发（2006BAD10A04） 国家“十一五”科技支撑计划灌区地下水开发利用关键技术（2006BAD11B05） 微弱信号检测的前置放大电路设计 张石锐1，2，郑文刚2*，黄丹枫1，赵春江2 （1.上海交通大学农业与生物学院上海市 200240 2.国家农业信息化工程技术研究中心北京市 100097） 摘要：针对精准农业中对微弱信号检测的技术需求，论文设计了以电流电压转换器，仪表放大器和低通滤波器为主要结构的微弱信号检测前置放大电路。结合微弱信号的特点讨论了电路中噪声的抑制和隔离，提出了电路元件的选择方法与电路设计中降低噪声干扰的注意事项。本文利用集成程控增益仪表放大器PGA202设计了微弱信号检测前置放大电路，并利用微弱低频信号进行了测试，得到了理想的效果。 关键字：精准农业、微弱信号检测、仪表放大器、前置放大电路 中图分类号：TN721.5 文献标识码：A The design of preamplifier circuit based on weak signal detection ZHANG Shi-rui1，2，ZHENG Wen-gang2，HUANG Dan-feng1，ZHAO Chun-jiang2 (1. School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China 2. National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing, 100097, China) Abstract：Combined with the demand of the detection of weak signal in precision agriculture, the article introduced the circuit principle of deigning preamplifier circuit whit I/V Conversion level, instrumentation amplifier level and low-pass filter level. At the same time the article discussed the circuit's noise suppression and isolation according to the characteristics of the weak signal, and gave the method of choosing elements and noise reduction. Finally, gave the design of the weak signal detection pre-amplifier using the program-controlled integrated instrumentation amplifier PGA202. Key words: precision agriculture ，weak signal detection, instrumentation amplifier, preamplifier 1、引言 精准农业主要是依据实时获取的农田环境和农作物信息，对农作物进行精确的灌溉、施肥、喷药，最大限度地提高水、肥和药的利用效率，减少环境污染，获得最佳的经济效益和生态效益[1]。农田环境和农作物信息的准确获取取决于可靠的生物传感技术。如常规精准灌溉主要关注空气的温度、湿度和土壤的含水量，利用这些参数的变化控制对农作物的灌溉，而作物自身产生的一些信号能够更准确的反映其自身的生理状况，通过检测这些信号控制灌溉可以使灌溉更精确。目前精准灌溉技术正朝着以环境信息和农作物生理信息相结合为控制依据的方向发展，为此各种生物传感器如植物电信号传感器、植物茎流传感器等应运而生。但一般作物自身生理状况产生的信号极其微弱，往往电流信号只能达到纳安级，电压信号也只能达到微伏级。为有效的利用这些信号，应首先对其进行调理，本文根据植物生理信号的特点设计了适合此类微弱信号检测的前置放大电路。 2、电路基本结构 生物传感器所产生的信号一般为频率较低的微弱信号，检测不同的植物生理参数，可能得到电压或电流信号。对于电流信号，应首先把电流信号转换成为电压信号，通过放大电路的放大，最后利用低通滤波器，滤除混杂在信号中的高频噪声。微弱信号检测前置放大电路的整体结构如图1。

AD603的直流宽带放大器

基于AD603的直流宽带放大器设计直流宽带放大器可以对宽频带、小信号、交直流信号进行高增益的放大，广泛应用于军事和医用设备等高科技领域上，具有很好的发展前景。在很多信号采集系统中，经放大的信号可能会超过A/D转换的量程，所以必须根据信号的变化相应调整放大倍数，在自动化程度要求较高的场合，需要程控放大器的增益。AD603是由美国ADI公司生产的压控放大器芯片，具有低噪声、宽频带、高增益精度（在通频带内增益起伏小于等于1dB）的特点。压控输入端电阻高达50MΩ，在输入电流很小时，片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响较小，适于实现程控增益调节。故该系统选择AD603为核心实现高增益、低噪声的程控直流宽带放大器。 1系统设计 1.1技术指标 输入电阻Ri≥50Ω；输入电压有效值Ui≤10mV;带宽0～10MHz,0～9MHz范围内，增益起伏小于等于1dB;程控增益40dB和60dB,以5dB步进；在60dB放大，带载50Ω时，最大输出10V,且无明显失真。 1.2总体设计 宽带直流放大器的实现原理框图如图1所示。该系统主要由宽带运放级联组成，输入信号经由AD603及外围电路构成的放大网络输出，输出增益为36.5dB,带宽15.6M,再由AD811放大，两级可实现40dB增益，在0～10MHz范围内无明显失真。经AD811放大电路放大的信号再经过AD829实现60dB增益，输出电压有效值10V,信号经过AD829之后进入扩流电路，实现带载50Ω电阻。单片机mega16通过DAC0832来控制预置增益，编程实现步进增益5dB,实时液晶显示。

图1总体设计框图 1.3单元电路分析与参数计算 1.3.1前置放大电路分析与设计 AD603是一款8引脚的高增益、带宽可调放大器，带宽最大为90MHz.在-1～+41dB 的增益范围内，带宽可达30MHz;在9～51dB的增益范围内，带宽为9MHz.由于带宽增益积的关系，一级AD603无法实现60dB放大，需采取多级级联实现。由于低噪声的特性，选择AD603作为第一级放大。根据芯片技术手册，当VG在-500mV～+500mV范围内以40dB/V（即25mV/dB）进行线性增益控制，增益G（dB）与控制电压VG之间的关系为：G（dB）=40VG+G0i（i=1,2,3）。这里要求增益5dB步进，故VG=5325mV=125mV,其中VG=VGPOS-VGNEG（单位为伏特），G0i分别为三种不同模式下的增益常量： G01=10dB,G02=10～30dB,G03=30dB. Ri=R1‖100=100‖100=50Ω，系统要求带宽为10M,前置放大器的带宽应大于 10M,采用G02模式，通过计算调试选定AD603的5、7脚接2.15kΩ，4、5连接5pF电容，实现频率补偿。第一级放大器的最高频率为： AD603芯片内部有100Ω电阻，在反向输入端与地之间加入100Ω电阻，实现输入电阻为50Ω，第一级实现增益36.5dB. 1.3.2中间级放大设计 AD603的供电电压最大为±7.5V,经AD603放大的信号幅度最大为5V左右，带载能力差。AD811是一款视频驱动放大器，在满足通频带内增益起伏小于等于0.1dB,增益小于等于2时，具有25M带宽，供电电压选用±15V,可实现10V有效值输出。满足系统10M通频带的指标要求，具有较强的带载能力，在满足40dB增益的前提下，还要考虑到与后级放大器一起实现60dB增益，且满足带宽要求，这里选择AD811的增益为1.5倍（3.5dB）。增益由电阻RFB和RG来决定： 为了便于精确调整放大倍数，RFB选用1kΩ滑动电位器，前两级放大后，在10M带宽范围内，实现了40dB增益。

两级放大电路的设计(参考版)

设计指标： A V >250，R i ≥10kΩ，R L =5.1kΩ， BW=50Hz~50kHz ，D<5% 。 设计条件： 输入信号（正弦信号）：2mV≤V i ≤5mV ，信号源内阻：R s =50Ω，电源电压：V CC =12V ； 半导体三极管9013，参数：β=100，r bb ’=300Ω，C μ=5pF ，f T =150MHz ，3V≤V CC ≤20V ， P CM =625mW ，I CM =500mA ，V (BR)CEO =40V 。 1．电路选型： 小信号放大电路选用如图1所示两级阻容耦合放大电路，偏置电路采用射极偏置方式，为了提高输入电阻及减小失真，满足失真度D<5%的要求，各级射极引入了交流串联负反馈电阻。 2．指标分配： 要求A V >250，设计计算取A V =300，其中T 1级A V1=12，A V2=25；R i ≥10kΩ要求较高，一般，T 1级需引入交流串联负反馈。 3．半导体器件的选定 指标中，对电路噪声没有特别要求，无需选低噪声管；电路为小信号放大，上限频率f H =50kHz ，要求不高，故可选一般的小功率管。现选取NPN 型管9013，取β=100。 4．各级静态工作点设定 动态范围估算：T 1级：im1imax V1252mV, 12,V V A === om1V1im1125284mV V A V ==?=。 T 2级：im2om1V284mV , 25V V A ===， om2V2im22584 2.1V V A V ==?=。

为避免饱和失真，应选：CEQ om CE(sat)C V V ≥+ ；可见 T 1级V CEQ1可选小些，T 2级V CEQ2可选大些。 CQ CQ CM CEQ CM T T I I I I I ≥+12取值考虑：设定主要根据，由于小信号电压放大电路较小； 另从减小噪声及降低直流功率损耗出发，、工作电流应选小些。 T 1级静态工作点确定： T CQ1 T CQ1T CQ1CQ1CQ1BQ1CEQ13k Ω, ',100'30026mV ' 10026 0.963mA 3000300 0.7mA 0.07mA , V 2V>0.12V V r r r I V I r V r r I I I I ββββ ≥=+= ===-?≤ =-====be1be1bb bb be1bb 取依可推得其中，，可求得选， T 2级静态工作点确定： 一般应取CQ2CQ1I I > ，CEQ2CEQ1V V > 选 ：CQ2 CQ2BQ2CEQ21.2mA , 0.012mA , V 4V>3V I I I β == == 5．偏置电路设计计算（设BEQ 0.7V V =） T 1级偏置电路计算： Rb1BQ1BQ1CC 10100.0070.07mA 11 124V 33I I V V ==?===?=取 故：CC BQ1 b1b1 124 114.286k Ω0.07 V V R I --= = = 取标称值120 kΩ 22Rb1b1b110.071200.588mW

什么是压缩限幅器

功放与音箱的功率配置 在专业扩声领域里，音响器材的配置是十分考究的，其中功放与音箱的配置是最重要的，虽然，一些音箱生品使用说明中向用户推荐了所配功放的具体牌号或型号，但还是有局限性，因为用户经常面对诸多型号的功放，无从下手。 功放与音箱的配置所涉及的方面很多，例如功放牌号、功率管类型的选择及低灵敏度音箱应配置哪种功放等。功放与音箱的具体配置，一般来说与设计人员的经验、爱好、听音习惯等因素有关，很难找到一个统一的标准。有时我们会遇到一些用户或设计人员为了节省开支常给音箱配置较小功率的功放，有些用户又为了所谓的“功率储备充足”给音箱配置很大功率的功放。显然，这样做都是不合适的。重要的是，这样配置会给设备造成损坏。在功放与音箱配置中，功放功率的确是关键，也就是说，功放功率的确定原则应该是统一的。 大家都知道，在进行厅堂声学设计后，需要根据一系列计算确定音箱功率，然后再由音箱功率确定功放功率，但是究竟两者功率如何选配才能达到最佳匹配呢？ 首先，在人耳听域的20Hz~20kHz内，真正集中大量能量的音乐信号一般在中、低、频段，而高频段能量仅相当于中、低频段能量的1/10。所以，一般音箱高音损失的功率比低音喇叭低得多，以求高低音平衡；而功放好比一个电流调制器，它的输入音频信号的控制下，输出大小不同的电流给音箱，使之发生大小不同的声音，在一定阻抗条件下，要想让标称功率为200W的功放达到400W或几倍的输出其实很容易，只是功放的失真（THD）将会大大地增加，这种失真主要产生在中、低频信号中的高频谐波，其失真越大，高频谐波能量就越大，而这些高频失真信号都将随高频音乐信号一同进入高音头，这就是为什么小功率功放推大音箱会发生烧高音头的原因。而在不少人的概念里，只要功放功率大，就有可能烧音箱。虽然有些功放没有失真指示，但由于设备配置已经先天不足，失真有可能在使用中时有发生，这时失真指示已失去意义。况且，由于使用者的经验和素质的限制，功放的失真往往容易被忽略。 其次，功放与音箱的功率配置与目标响度以及所使用场合也有一定的关系。在一定目标响度下，应该让音乐信号的动态在每件器材上都能得到充分的保证，如果功放功率太大，其增益设置很小时，响度已达到要求，但这时功放的增益就限制了信号的动态范围。所以，功放功率不能太大；否则，既然浪费开支，又会带来响度和音乐动态无法兼顾以及音箱负荷过重的麻烦。根据以往经验，一般语言、音乐扩音场所和大动态的迪厅等场所是有区别的。有一般扩音场所信号起伏小，不需要功放长时间或很快提供很大电流给音箱，所以功放功率应该比要求强劲有力的大动态扩音场所的功率要小；另外，所谓的“功率储备”也应该针对音箱而言，值得注意的是，功放的选定必须由音箱决定，不应该有“功率储备”的概念去配置功放。换句话说，在一定的目标响度下，音箱可以比设计值大一些，以备不同用途，而功放的功率应该严格由音箱决定，没有太大的灵活性。 总之，功放与音箱功率配置的具体标准应该是：在一定阻抗条件下，功放功率应大于音箱功率，但不能太大。在一般应用场所功放的不失真率应是音箱额定功率

低噪声前置放大器电路的设计方法

低噪声前置放大器电路的设计方法 收藏此信息打印该信息添加：不详来源：未知 前置放大器在音频系统中的作用至关重要。本文首先讲解了在为家庭音响系统或PD A设计前置放大器时，工程师应如何恰当选取元件。随后，详尽分析了噪声的来源，为设计低噪声前置放大器提供了指导方针。最后，以PDA麦克风的前置放大器为例，列举了设计步骤及相关注意事项。 前置放大器是指置于信源与放大器级之间的电路或电子设备，例如置于光盘播放机与高级音响系统功率放大器之间的音频前置放大器。前置放大器是专为接收来自信源的微弱电压信号而设计的，已接收的信号先以较小的增益放大，有时甚至在传送到功率放大器级之前便先行加以调节或修正，如音频前置放大器可先将信号加以均衡及进行音调控制。无论为家庭音响系统还是PDA设计前置放大器，都要面对一个十分头疼的问题，即究竟应该采用哪些元件才恰当？ 元件选择原则 由于运算放大器集成电路体积小巧、性能卓越，因此目前许多前置放大器都采用这类运算放大器芯片。我们为音响系统设计前置放大器电路时，必须清楚知道如何为运算放大器选定适当的技术规格。在设计过程中，系统设计工程师经常会面临以下问题。 是否有必要采用高精度的运算放大器？ 输入信号电平振幅可能会超过运算放大器的错误容限，这并非运算放大器所能接受。若输入信号或共模电压太微弱，设计师应该采用补偿电压(Vos)极低而共模抑制比(CMRR)极高的高精度运算放大器。是否采用高精度运算放大器取决于系统设计需要达到多少倍的放大增益，增益越大，便越需要采用较高准确度的运算放大器。 运算放大器需要什么样的供电电压？

这个问题要看输入信号的动态电压范围、系统整体供电电压大小以及输出要求才可决定，但不同电源的不同电源抑制比(PSRR)会影响运算放大器的准确性，其中以采用电池供电的系统所受影响最大。此外，功耗大小也与内部电路的静态电流及供电电压有直接的关系。 输出电压是否需要满摆幅？ 低供电电压设计通常都需要满摆幅的输出，以便充分利用整个动态电压范围，以扩大输出信号摆幅。至于满摆幅输入的问题，运算放大器电路的配置会有自己的解决办法。由于前置放大器一般都采用反相或非反相放大器配置，因此输入无需满摆幅，原因是共模电压(Vcm)永远小于输出范围或等于零(只有极少例外，例如设有浮动接地的单供电电压运算放大器)。增益带宽的问题是否更令人忧虑？ 是的，尤其是对于音频前置放大器来说，这是一个非常令人忧虑的问题。由于人类听觉只能察觉大约由20Hz至20kHz频率范围的声音，因此部分工程师设计音频系统时会忽略或轻视这个“范围较窄”的带宽。事实上，体现音频器件性能的重要技术参数如低总谐波失真(TH D)、快速转换率(slew rate)以及低噪声等都是高增益带宽放大器所必须具备的条件。 图1，建议选用的放大器 深入了解噪声 在设计低噪声前置放大器之前，工程师必须仔细审视源自放大器的噪声，一般来说，运算放大器的噪声主要来自四个方面： 热噪声(Johnson)：由于电导体内电流的电子能量不规则波动产生的具有宽带特性的热噪声，其电压均方根值的正方与带宽、电导体电阻及绝对温度有直接的关系。对于电阻及晶体

信号放大滤波电路设计

中北大学 课程设计说明书 学生姓名:罗再兵学号： 0906044151 学院: 电子与计算机科学技术学院 专业: 电子科学与技术 题目: 信号放大滤波电路设计 指导教师：孟令军职称: 副教授 2011 年 12 月 30日

目录 1、设计任务 (2) 2、设计目的 (2) 3、设计方案 (2) 4、参考电路设计与分析 (3) 4.1、同相比例放大器 (3) 4.2、二阶压控电压源低通滤波器 (3) 4.3、二阶压控电压源高通滤波器 (4) 5、信号放大滤波电路 (5) 5.1信号放大滤波电路设计 (5) 5.2信号放大滤波电路仿真 (6) 5.3信号放大滤波电路性能评估 (8) 5.4信号放大滤波电路PCB板图 (8) 6、设计仪器设备 (9) 7、设计心得 (9)

一. 设计任务 1、查阅熟悉相关芯片资料； 2、选择合适的运算放大器，实现信号的3级放大；总放大倍数为12； 3、并通过高通、低通滤波电路滤波； 4、利用PROTEL 绘制电路原理图和印刷板图，并利用multisim 软件仿真。 二. 设计目的 1、掌握电子电路的一般设计方法和设计流程。 2、学习使用PROTEL 软件绘制电路原理图和印刷版图。 3、掌握应用multisim 对设计的电路进行仿真，通过仿真结果验证设计的 正确性。 三．设计方案 由设计题目和设计要求可知，设计此电路需要用到集成运算放大器和高 低通滤波电路，首先信号放大12倍，我们选用同相比例放大器放大，该电路结构简单，性能良好；滤波电路部分我们选用典型的二阶压控电压源低通滤波器和二 阶压控电压源高通滤波器，该电路具有电路元件少，增益稳定，频率范围宽等优点。设计框架图如下： 信号输入 信号输出 图1 信号放大滤波电路设计方案 图1为信号放大滤波电路设计方案。在这一方案中，系统主要由同相比例放大器、二阶压控电压源低通滤波器、二阶压控电压源高通滤波器组成。 由于要求实现信号的3级放大，总放大倍数为12，信号经过同相比例放大器 后放大12倍，再经过二阶压控电压源低通滤波器（在通频带内增益等于1）过滤掉高频信号而留下所需频率信号，然后再经二阶高通滤波器（在通频带内增益等于1）后就可以得到我们所需频段的信号。 同相比例放大器 二阶压控电压源低通滤波器 二阶压控电压源高通滤波器

宽带放大器设计报告

宽带放大器设计报告 ―－武汉大学电子设计基地设计组第1组：许可崔振威谢超 摘要：本系统利用可变增益放大器AD600作为核心,通过模拟开关选通不同的控制电压的方式来达到增益步进6dB,总增益从0dB到30dB的目的，其控制电压均由2.5v电压基准MAX873经过精密电阻分压得到,有效的保证了控制电压的稳定度,获得良好的波形。前置放大采用由AD844构成的正向放大器，可以有效的提高输入电阻,使输入电阻达到兆欧级别。后级放大采用增益固定为10dB的同向放大器,从而使整个电路的增益能从10dB变化到40dB，该放大器由高精度宽带运放MAX477构成，在保证良好输出波形的同时,可以使输出电压有效值大于3V。前置放大和后级放大的输出均采用峰值检测电路检测出正半周最大电压值，用于有效值的计算，采用AD603构成的AGC电路，在输入信号在0.05V～1.00V内变化时，能将输出有效值稳定在2.05～2.6 V。整个系统的通频带为1K～14.6MHz。由12位A/D 转换器MAX197对输出信号的峰值进行测量，分辨率达到1mV 。AT89S52和CycloneFPGA构成的单片机小系统板可以通过键盘，人为预置增益值来获取相应的放大倍数，同时实时显示实际增益值、输出有效值和当前增益误差。整个系统采用中文显示，界面友好美观，控制方便。

一、方案论证与选择 1．增益控制部分： 方案一 采用普通宽带运算放大器组成的放大电路,同时由分立元件构成的AGC控制电路,通过包络检波再反馈回放大器的方法来控制放大倍数,这种方法构成电路简单,但是反馈控制比较困难，难以实现步进，精度也很低。 方案二 采用集成可变增益放大器AD600作为增益控制。AD600是一款低噪声、精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高，最大增益误差为0.5dB,满足题目要求的精度,其增益(dB)与控制电压成线性关系,因此可以方便的采用控制电压的方式来控制放大器的增益.采用D/A变换装置输出电压控制高速压控放大器AD600来实现增益的步进，采用此种方法可以获得很小的步进。但是由这种方法得到的控制电压有一定的纹波，而芯片AD600对控制电压非常敏感，微小的电压波动就能造成输出波形上下起伏，波形不佳。 方案三 主控芯片采用AD600，利用电压基准源通过精密电阻分压得到各个增益值对应得控制电压，在用模拟开关CD4051来选则不同的控制电压来达到控制增益的目的。电压基准源采用MAXIM公司2.5 V基准MAX873。 经过比较，选用方案三。 2．有效值测量部分 方案一 采用检波二极管构成的峰值检测电路，然后用A/D转换器对其检测结果进行读数。峰值检测的原理是当输入电压正半周通过时，检波管导通，对电容C充电，适当选择电容值，使得电容放电速度大于充电速度，这样，电容两端的电压可以保持在最大电压处，该电压通过一个用运算放大器构成的射极跟随器输出电压峰值。采用这种电路优点是频带响应宽，频率越高检测反而越准确，且电路简单。但是由于检波二极管存在一定的导通压降，且为非线性，测量精度低，小信号时尤其明显。同时电容值的选取也使得电路有一定的局限性，如选取太大，放电时间过长，会改善输出电压发纹波，但是会导致该电路响应速度慢；如果电容选的太小，放电时间过短，能改善电路的响应时间，但也会导致低频时输出电压纹波较大。 方案二 采用集成电路AD637作为有效值运算，它测量有效值的范围为0-7V，精度优于0.5%，且外围元件少，频带宽，对于一个有效值为1V的信号，它的3dB带宽为8MHz，并且可对输入信号的电平以dB形式表示。该方案精度高，直接输出有效值，但电路稍复杂，且不适合高频信号。 经过比较，方案二中AD637对小信号测量具有很大优势，而方案一中在频带方面满足要求，考虑到题目的频带范围和制作成本的因素，采用方案一。 3．自动增益控制部分（AGC） 方案一 AGC电路实际上是一个根据输出电压的动态的调整放大倍数，从而使输出稳定在预定范围的反馈型电路。根据该特点可以引入CPU、A/D和D/A转换器通过程序对放大倍数进行控制，即数字式AGC，此种AGC电路的输出范围完全由人为设定，可以很容易满足题目要求，

仪用放大器的应用电路设计

课程名称：电路与电子技术实验Ⅱ指导老师：成绩：__________________ 实验名称：仪用放大器的应用电路设计类型：___________________同组学生姓名：__________ 一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 一、实验目的和要求 1.学习并了解仪用放大器与运算放大器的性能区别。 2.掌握仪用放大器的电路结构及设计方法。 3.掌握仪用放大器的测试方法。 4.学习仪用放大器在电子设计中的应用。 二、实验内容和原理 1. 仪用放大器 仪用放大器是一种精密差动电压放大电路。 在实际的生产生活中，实际的信号获取单元经常需要面对强噪声背景下的微弱信号，这些强噪声将以共模的形式进入测量单元。虽然运放具有共模抑制比，但信号电压和共模电压一起被传送到输出端，将降低放大器的有效输出范围。 2.基本差动放大器与带输入缓冲的差动放大器 基本差动放大器：带输入缓冲的差动放大器： 3.标准的三运放构成的仪用放大器 造成差动放大器误差的两个主要因素为：运算放大器的参数和电阻器匹配的精确度。 若在输入运算放大器周围增加匹配电阻，把增益设臵放在前端实现，就构成了仪用放大器。 仪用放大器的传输函数为：

运放A1、A2 为同相差分输入方式。同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，来提高共模抑制比。 4.单片仪用放大器 5.双孔梁应变式传感器 力传感器单元是这个实验的传感器，为信号输入部分。它内部含有由4个全桥电路。

高频小信号放大器的设计

高 频 小 信 号 放 大 器 设 计 学号:320708030112 姓名:杨新梅 年级:07电信本1班 专业:电子信息工程 指导老师:张炜 2008年12月3日

目录 一、选题意义 (3) 二、总体方案 (4) 三、各部分设计及原理分析 (7) 四、参数选择 (11) 五、实验结果 (17) 六、结论 (18) 七、参考文献 (19)

一、选题的意义 高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路，它所放大的信号频率在数百千赫至数百兆赫。高频小信号放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大，从信号所含频谱来看，输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的。 高频小信号放大器的分类： 按元器件分为：晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器; 按频带分为：窄带放大器、宽带放大器; 按电路形式分为：单级放大器、多级放大器; 按负载性质分为：谐振放大器、非谐振放大器; 其中高频小信号调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是非常微弱的，这就需要用放大器将其放大。高频信号放大器理论非常简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。本文以理论分析为依据，以实际制作为基础，用LC振荡电路为辅助，来消除高频放大器自激振荡和实现准确的频率选择；另加其它电路，实现放大器与前后级的阻抗匹配。

二、总体方案 高频小信号调谐放大器简述： 高频小信号放大器的功用就是无失真的放大某一频率范围内的信号。按其频带宽度可以分为窄带和宽带放大器，而最常用的是窄带放大器，它是以各种选频电路作负载，兼具阻抗变换和选频滤波功能。对高频小信号放大器的基本要求是： （1）增益要高，即放大倍数要大。 （2）频率选择性要好，即选择所需信号和抑制无用信号的能力要强，通常用Q值来表示，其频率特性曲线如图-1所示,带宽BW=f2-f1= 2Δf0.7，品质因数Q=fo/2Δf0.7. 图-1频率特性曲线

射频宽带放大器

射频宽带放大器（D题） 摘要：本系统以可控增益放大器LMH6502为核心，外加宽带放大器OPA695的配合，实现了增益可调的射频宽带放大功能。系统主要由四个模块构成：前置固定放大电路模块、可控增益电路模块、后级固定放大电路模块和单片机控制显示模块。前置放大电路和后级放大电路以OPA695为核心器件，分别可提供约25.3dB 和23.5dB的固定增益；可控增益模块主要由LMH6502构成，可实现-50dB~20dB 的动态增益变化；单片机显示模块用于控制并显示可控增益电路模块的控制电压，使整个网络能够完成0~60dB的增益可调。本系统具有增益可调，频带宽，电路形式简单且调试方便的特点。经测试，系统完成了全部基本功能和部分发挥功能。 关键词：宽带放大器；可控增益；单片机控制；

一、系统方案： 1.1方案比较与选择： 方案一采用分立三极管或双栅场效应管，将每一级构成的可控放大器级联，分别对每一级增益进行控制。该方案灵活度相对较高，但电路稳定度低，不利于调节和控制。 图一方案一总体框图 方案二：用模拟开关构成电阻网络，由单片机控制以改变信号增益。这种方案存在的不足是模拟开关会导致导通电阻较大，信号会互相干扰，容易影响系统性能。而且电阻网络级数多，造成硬件电路复杂，且电阻网络的电阻选择也较为困难，很难做到高精度控制。 方案三：用多级固定增益的运算放大电路和电压增益控制运算放大器构成。集成可控增益放大器的增益与控制电压成严格线性关系，控制电压由单片机控制DAC 产生，精度高,可以满足题目指标要求，而且外围电路简单，便于调试，故采用此方案。 图二电路总体框图 1.2方案描述： 1.2.1总体框图：

2.5Gb 和3.125Gb 速率级CMOS 限幅放大器

2.5Gb/s和 3.125Gb/s速率级CMOS限幅放大器* 胡艳，王志功**，冯军，陶蕤 （东南大学射频与光电集成电路研究所，南京市四牌楼2号，210096） 摘要：本文采用TSMC 0.35μm CMOS工艺实现了可用于SONET/SDH 2.5Gb/s和3.125Gb/s 速率级光纤通信系统的限幅放大器。通过在芯片测试其输入动态范围超过40dB，输出摆幅为400mVp-p，功耗250mW，含信号丢失检测功能，可以满足商用化光纤通信系统的使用标准。 关键字：光纤通信，限幅放大器，CMOS工艺，SONET/SDH Design of CMOS Limiting Amplifier for SDH 2.5Gb/s and 3.125Gb/s Systems HU Yan, WANG Zhi-gong, FENG Jun, TAO Rui (Institute of RF- & OE-IC’s, Southeast University, Nanjing 210018,China) Abstract: In this paper, a limiting amplifier was realized in TSMC 0.35μm CMOS technology for the use of SDH 2.5 Gb/s and 3.125 Gb/s systems. Evaluated via on-wafer testing, this limiting amplifier offers an input dynamic range of more than 40dB, provides a constant output 400mVp-p and includes a module of loss detection. Therefore, this limiting amplifier can meet the requirement of optical communication system. Key words: optical communication; limiting amplifier; CMOS technology; SONET/SDH 1引言 随着人们对信息服务的种类和质量要求的不断提高，同步光纤网/同步数字序列（SONET/SDH）应运而生并不断发展。光纤通信具有很多其它通信方式不可比拟的优点，例如：成本低，可靠性高，通信容量大等。目前2.5Gb/s的系统已得到普遍应用。 在光纤通信系统中，限幅放大器（LA）具有广泛的应用：首先，可用于含无源滤波器的时钟恢复电路中，以抑制由于输入信号码型不同而引起的时钟信号的幅度变化；其次，可用于光接收机的主放大器；第三，可用作数据和时钟处理电路的输入输出缓冲部分。目前主要采用GaAs或双极性硅工艺生产[1]。 CMOS工艺虽不具有GaAs或双极性硅工艺的速度优势，但随着CMOS工艺的不断发展，CMOS工艺已经达到比较高的速率。根据仿真结果0.35μm、0.25μm和0.18μm 工艺的特征频率分别为13.5GHz、18.6GHz 和49GHz。因此采用CMOS工艺设计高速的限幅放大器具有良好的前景。