CN102035485B

CN102035485B - 一种输出稳定的高增益线性放大器

Info

Publication number: CN102035485B
Application number: CN 201010524221
Authority: CN
Inventors: 桑泉; 冯业胜; 张剑; 刘海亮
Original assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Current assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: CN102035485A

Abstract

本发明涉及一种输出稳定的高增益线性放大器，它由依次相级联耦合的前置放大电路、低通滤波电路、中级两级放大电路以及后续两级放大电路组成，所述的前置放大电路的带宽与低通滤波电路的带宽相一致，低通滤波电路的截止频率为输入信号的带宽值；中级两级放大电路中其后级放大电路的带宽大于输入信号的带宽并小于前级放大电路的带宽，且前级放大电路的带宽小于十倍的输入信号带宽；后续两级放大电路输入阻抗相同，且其前级电路带宽在1～10倍输入信号带宽之间，其后级电路带宽大于信号带宽并小于前级电路带宽，故整个放大器在带宽和增益上相匹配。通过在多级放大电路之间采用带宽匹配和增益匹配的方式，能将若信号从uV级放大到mV级信号，且输出信号不振荡。

Description

一种输出稳定的高增益线性放大器

技术领域

本发明涉及一种高增益线性放大器，尤其涉及用于对弱信号进行放大输出的放大器。

背景技术

中低频采样信号放大器、多普勒信号放大器多用于对弱信号进行放大输出。这些弱信号高增益线性放大器，其信号能否稳定输出是必然要考虑的问题。现有技术中，高增益多级放大器采用将放大器的电源或地之间通过电抗隔离的方式或者在每级放大器的电源端采用近地去藕的方式亦或每级放大输出采用输出信号限幅电路等方式实现。但这些方法都增加了电路的元器件数量，使本来复杂的多级放大器结构更加复杂。

发明内容

本发明目的是提供一种能够保证输出信号稳定的弱信号高增益线性放大器。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种输出稳定的高增益线性放大器，其用于控制弱信号稳定地输出，它由依次相级联耦合的前置放大电路、低通滤波电路、中级两级放大电路以及后续两级放大电路组成，所述的前置放大电路的带宽与低通滤波电路的带宽相一致，所述的低通滤波电路的截止频率为输入信号的带宽值；所述的中级两级放大电路中其后级放大电路的带宽大于输入信号的带宽并小于前级放大电路的带宽，且前级放大电路的带宽小于十倍的输入信号带宽；所述的后续两级放大电路输入阻抗相同，且其前级电路带宽在1～10倍输入信号带宽之间，其后级电路带宽大于信号带宽并小于前级电路带宽，故整个放大器在带宽和增益上相匹配。

对上述技术方案解释如下：

设定前置放大电路单位增益带宽为x，放大倍数在y倍左右，则前置放大电路的带宽为z(z≈x/y)。

设定低通滤波电路单位增益带宽为c、放大倍数为a倍、截止频率为d，那么，该低通滤波器的带宽为c/a；截止频率d应为信号的最大带宽值。按照上述方案，低通滤波电路的带宽应与前置放大电路的带宽相一致即c/a＝z，因此，可以根据前置放大电路的带宽来选择低通滤波器的带宽配置。截止频率d应小于前置放大电路的带宽。

同样，设定中级两级放大电路中的前级放大倍数为e倍，后级放大倍数为f倍，c为中级放大电路的单位增益带宽。所以，前级放大电路带宽为g＝c/e，后级放大电路带宽为h＝c/f，为达到带宽匹配的要求，后级带宽h应小于前级带宽g，且前级带宽g应小于10＊d，同时，后级带宽h应大于信号带宽d。

后续两级放大电路的带宽匹配关系也应满足如下要求：其前级带宽p应小于信号带宽的10倍数值(10＊d)，但要大于信号带宽d；后级带宽q小于前级带宽p，且大于信号带宽d。故按照上述关系，我们可以选定两级放大电路的单位增益带宽和放大倍数，若后续两级放大电路的单位增益带宽为n，前级放大倍数为k，后级放大倍数为m，即前级带宽p＝n/k，后级带宽q＝n/m。同时，两级放大电路的输入阻抗应相同，这样，信号依次经过前置放大电路、低通滤波电路、中级两级放大电路以及后续两级放大电路匹配后将被放大且稳定地输出，由于上述匹配设计，保证了输出信号饱和且不振荡。

进一步地，各级所述的电路主要由运算放大器构成，通过设置各电路运算放大器的单位增益带宽与放大倍数实现整个放大器的带宽和增益匹配。

各运算放大器之间通过阻容相级联。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点：本发明在多级放大电路之间采用带宽匹配和增益匹配的方式，使得整个线性放大器在中低频带宽内，能将若信号从uV级放大到mV级信号，且输出信号不振荡，在硬件上，可采用集成运算放大器，从而使得整个放大器的结构比较简洁。

附图说明

附图1为根据本发明技术方案所具体实施的一种高增益线性放大器电路图；

其中：1、前置放大电路；2、低通滤波电路；3、中级放大电路；4、后续两级放大电路；

具体实施方式

下面结合附图，对本发明优选的具体实施例进行说明：

如图1所示的高增益线性放大器，其主要由前置放大电路1、低通滤波电路2、中级两级放大电路3以及后续两级放大电路4相级联而成。本实施例中，各电路主要由运算放大器构成，具体地，前置放大电路1主要由运放N1、并联连接在运放N1的反相输入端与输出端之间的电容C2和电阻R2组成，运放N1的反相输入端通过一电阻R1接输入信号，运放N1的同相输入端接地，在本实施例中，运放N1采用一低噪声集成单运放芯片实现。

低通滤波电路2由两级运算放大器N2A和N2B相级联而成，具体地，运放N2A的同相输入端通过电阻R3、R4与前置放大电路1的运放N1输出端相电连接，运放N2A的反相输入端与其输出端相电连接，且在运放N2A的同相输入端与输出端之间电连接有电容C4；运放N2B的同相输入端通过电阻R5、R6与运放N2A输出端相电连接，运放N2B的反相输入端与其输出端相电连接，且在运放N2B的同相输入端与输出端之间电连接有电容C6；

中级两级放大电路3由运放N2C和运放N2D相级联而成，且运放N2C的反相输入端与低通滤波电路2的第二级运放N2B的输出端通过电阻R7相电连接，在本实施例中，低通滤波电路2以及中级两级放大电路3的运放可采用一具有四运放的集成芯片实现，图中示出了具体连接引脚。

后续两级放大电路4由运放N3C和N3B相级联而成，该后续两级放大电路仍可采用一四运放集成芯片加外围元器件组成。故，整个高增益线性放大器在硬件实现上，需要三片集成运放芯片即可实现，且其外围电路较简单，易于实现。

上述对本发明高增益线性放大器的电路结构进行了介绍，为了达到信号稳定输出，本申请中，对各电路之间采用增益匹配和带宽匹配的方式，针对该匹配方式，可对各电路的参数进行配置：

前置放大电路1的带宽应与低通滤波电路2的带宽相一致，由于前置放大电路的带宽与其运放的单位增益带宽以及放大倍数相关，即，若运放单位增益为x，放大倍数为y，则其带宽z为x/y。因此，当带宽确定后，我们可以调整前置放大电路1外围电阻电容的大小，改变其放大倍数，从而得到需要的带宽。

低通滤波电路2及中级两级放大电路3采用相同的运放，假设各运放的单位增益带宽为c，故其带宽z、放大倍数以及单位增益a之间的关系为：z＝c/a，故通过选择运放的增益及调整外围参数可获得需要的带宽，使得该低通滤波电路的带宽与前置放大电路带宽相一致。

同时，需要说明的是，对低通滤波器的截止频率d也应进行设定，该截止频率d应为信号的最大带宽。

中级两级放大电路的带宽之间的匹配关系应满足：后级带宽h应大于信号带宽d而小于前级带宽g，同时，前级带宽g不能大于10＊d，故按照此设定，前级放大电路的放大倍数e＝c/g，后级放大电路的放大倍数f＝c/h，由此，可进行中级两级放大电路的参数设置。

后续两级放大电路在带宽匹配上应满足：前级带宽p小于信号带宽的10倍数值(10＊d)，但大于信号带宽d；后级带宽q小于前级带宽p，但大于信号带宽d；故若选择的运放单位增益带宽为n，则前级放大倍数应为k＝n/p；后级放大倍数应为q＝n/m。同时，在阻抗上，两级放大电路的阻抗应相同。

根据上述原理，如下给出一具体示例：

图1中，前置放大电路1的运放N1的单位增益带宽为63MHz，放大倍数设为6.4倍，且前置放大电路等效输入噪声电压频谱密度

偏置电流IB≤0.04μA，则前置放大电路的带宽为10MHz(63MHz/6.4≈10MHz)左右，信号经该前置放大电路放大16dB左右；

低通滤波电路2的运放N2A和N2B单位增益带宽为10MHz，1倍增益，截止频率180kHz，即为信号的最大带宽。从而电路带宽与前置放大电路带宽一致，为10MHz＝10MHz/1；

中级两级放大电路3的运放N2C和N2D单位增益带宽也为10MHz，前级放大设定为10倍，后级放大50倍，故前级带宽为10MHz/10＝1000kHz，后级带宽为10MHz/50＝200kHz，由上述原理，前级带宽应小于10倍的信号带宽，即1000kHz小于180kHz＊10，故中级两级放大电路仍保持180kHz信号带宽，和低通滤波器截止频率180kHz相匹配。经中级两级放大电路3后，信号再被放大54dB左右；

最后，后续两级放大电路4的运放单位增益带宽设定为3MHz，前级放大放大2倍以上，后级放大6.6倍，两级输入阻抗相同(阻抗匹配)，前级带宽最高为1500kHz(3MHz/2＝1500kHz)，其小于信号带宽180kHz的10倍数值，大于180kHz信号带宽；后级带宽最高为455kHz(3MHz/6.6＝455kHz)，其小于前级1500kHz带宽，也小于信号带宽180kHz的10倍数值，大于180kHz信号带宽，和前级一致。信号经该后续两级放大电路增益匹配和带宽匹配后再放大22dB，按照上述方式，将180kHz带宽内小信号共放大92dB以上，保证了输出信号稳定输出，且饱和输出不振荡。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种输出稳定的高增益线性放大器，其用于控制弱信号稳定地输出，其特征在于：它由依次相级联耦合的前置放大电路、低通滤波电路、中级两级放大电路以及后续两级放大电路组成，各级所述的电路主要由运算放大器构成，根据“各电路的带宽＝其单位增益带宽/其放大倍数”，通过设置各电路运算放大器的单位增益带宽以及各电路的放大倍数来实现以下带宽设置：所述的前置放大电路的带宽与低通滤波电路的带宽相一致，所述的低通滤波电路的截止频率为输入信号的带宽值；所述的中级两级放大电路中其后级放大电路的带宽大于输入信号的带宽并小于前级放大电路的带宽，且前级放大电路的带宽小于十倍的输入信号带宽；所述的后续两级放大电路输入阻抗相同，且其前级电路带宽在1～10倍输入信号带宽之间，其后级电路带宽大于信号带宽并小于前级电路带宽。

2.根据权利要求1所述的输出稳定的高增益线性放大器，其特征在于：所述的前置放大电路的运算放大器采用一集成运放芯片外设阻容实现，所述的低通滤波电路与中级两级放大电路二者共用一四运放集成芯片外设阻容实现。