CN106982039A - 高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器，包括：低噪声放大电路、第一限幅电路、缓冲放大电路、第二限幅电路及输出放大电路，所述低噪声放大电路、第一限幅电路、缓冲放大电路、第二限幅电路及输出放大电路依次串联连接，低噪声放大电路、缓冲放大电路及输出放大电路还均与电源相连。低噪声放大电路用于接收一脉冲多普勒信号并对其进行放大处理，第一限幅电路用于接收经过放大处理后的信号并对其进行限幅输出，缓冲放大电路用于对第一限幅电路及第二限幅电路进行有效隔离，第二限幅电路用于对信号进行第二次限幅，以将脉冲多普勒信号峰峰值限制到指定值，输出放大电路用于将经过第二次限幅后的信号放大到需要的幅度。

Description

高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器

技术领域

本发明属于一种信号放大器，具体涉及一种高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器。

背景技术

脉冲多普勒雷达由于其具有较强抑制地物杂波干扰和测速能力，广泛用于位置、速度检测系统中。超视距雷达一般采用单脉冲比幅法测角，用多普勒信号处理技术完成对相对运动目标的检测。

脉冲多普勒雷达对地面目标进行检测的过程中，接收到的回波信号强度有大有小，对于小信号需进行放大，方便后续处理；对于大信号需进行限幅处理，防止烧毁后续电路。此外，脉冲多普勒信号经限幅放大器处理后，脉冲宽度不能发生大的展宽，以免影响测速、测距精度。

传统脉冲多普勒信号放大器的实现方式之一是信号输入就进行限幅处理，然后采用多级放大，最后又采用限幅输出，电路框图如图1所示。输入限幅的作用是防止大信号输入毁坏电路；放大电路一般采用低噪声放大器，级数根据整体电路的增益大小确定；输出限幅是为了进一步限制输出信号幅度。但这种结构的脉冲多普勒信号放大器存在以下问题：输入限幅会降低检测灵敏度；限幅输出信号的稳定性和一致性较差；输出脉冲信号展宽较大。所以，传统结构脉冲多普勒信号放大器难以满足整机系统的高精度、高灵敏度、大动态的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种新型的脉冲多普勒信号放大器，不仅解决传统结构脉冲多普勒信号放大器灵敏度低、脉冲展宽大、限幅输出信号稳定和调试困难的问题，而且能够很好地满足整机接收系统对一致性的要求，便于批量生产。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器，包括：低噪声放大电路、第一限幅电路、缓冲放大电路、第二限幅电路及输出放大电路，所述低噪声放大电路、第一限幅电路、缓冲放大电路、第二限幅电路及输出放大电路依次串联连接，所述低噪声放大电路、缓冲放大电路及输出放大电路还均与电源相连；所述低噪声放大电路用于接收一脉冲多普勒信号并对其进行放大处理，所述第一限幅电路用于接收经过放大处理后的信号并对其进行限幅输出，所述缓冲放大电路用于对第一限幅电路及第二限幅电路进行有效隔离，所述第二限幅电路用于对信号进行第二次限幅，以将脉冲多普勒信号峰峰值限制到指定值，所述输出放大电路用于将经过第二次限幅后的信号放大到需要的幅度。

其中，所述低噪声放大电路包括第一至第三电容、三极管、第一至第四电阻，所述第一电容的一端与外部输入端相连，另一端通过第二电阻接地，还依次通过第一电阻及第二电容与第一限幅电路相连，所述第一电阻与第二电阻之间的节点与三极管的基极相连，所述三极管的集电极连接于第一电阻与第二电容之间的节点，所述第一电阻与第二电容之间的节点还通过第四电阻与电源相连，所述三极管的发射极通过第三电阻接地，还直接通过第三电容接地。

其中，所述三极管为低功耗高频三极管。

其中，所述第一限幅电路包括第一及第二二极管、第五电阻，所述第一二极管的阴极通过第五电阻与所述低噪声放大电路的输出端相连，阳极接地，所述第二二极管的阳极连接于第一二极管的阴极与第五电阻之间的节点，所述第二二极管的阴极接地，所述第二二极管的阳极还作为整个第一限幅电路的输出端与缓冲放大电路相连。

其中，所述缓冲放大电路包括第一运算放大器、第六至第九电阻及第四电容，所述第一运算放大器的电源端与电源相连，接地端接地，正相输入端通过第八电阻与电源相连，还通过第九电阻接地，所述第八电阻与第一运算放大器的正相输入端之间的节点与第一限幅电路的输出端相连，所述第一运算放大器的反相输入端依次通过第四电容及第七电阻接地，还直接通过第六电阻与第一运算放大器的输出端相连，所述第一运算放大器的输出端作为整个缓冲放大电路的输出端与第二限幅电路相连。

其中，所述第一运算放大器为宽带低功耗及电流反馈型放大器。

其中，所述第二限幅电路包括第三至第六二极管及第十至第十三电阻，所述第三及第四二极管的阳极均通过第十二电阻与电源相连，所述第三二极管的阴极与第五二极管的阳极相连，所述第四二极管的阴极与第六二极管的阳极相连，所述第五二极管及第六二极管的阴极均通过第十三电阻接地，所述第三二极管与第五二极管之间的节点通过第十电阻与缓冲放大电路的输出端相连，所述第四二极管与第六二极管之间的节点通过第十一电阻后作为整个第二限幅电路的输出端与输出放大电路相连。

其中，所述输出放大电路包括第二运算放大器、第十四至第十七电阻及第五电容，所述第二运算放大器的电源端与电源相连，接地端接地，正相输入端通过第十六电阻连接电源，还通过第十七电阻接地，反相输入端通过第十四电阻与第二限幅电路的输出端相连，还通过第十五电阻与第二运算放大器的输出端相连，所述第二运算放大器的输出端还直接通过第五电容后作为整个输出放大电路的输出端。

其中，所述第二运算放大器为宽带低功耗及电流反馈型放大器。

本发明采用在三级放大器之间两次限幅的方式对脉冲多普勒信号进行限幅，使限幅输出信号能保持非常高的稳定性，且不同电路之间的一致性也很好，基本不需调试，便于大批量生产。同时，本发明采用的运算放大器都为宽带高速运算放大器，对脉冲多普勒信号的响应时间极快，从而使脉冲展宽很小。

附图说明

图1是现有的脉冲多普勒信号放大器的方框图。

图2是本发明一种高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器的较佳实施方式的方框图。

图3是图2中低噪声放大电路的电路图。

图4是图2中第一限幅电路的电路图。

图5是图2中缓冲放大电路的电路图。

图6是图2中第二限幅电路的电路图。

图7是图2中输出放大电路的电路图。

图8是图2中高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器的较佳实施方式的电路图。

图9是图2中高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器的较佳实施方式的仿真示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图2所示，其为本发明所述的一种高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器的较佳实施方式的方框图。所述高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器的较佳实施方式包括低噪声放大电路1、第一限幅电路2、缓冲放大电路3、第二限幅电路4及输出放大电路5。

所述低噪声放大电路1、第一限幅电路2、缓冲放大电路3、第二限幅电路4及输出放大电路5依次串联连接，所述低噪声放大电路1、缓冲放大电路3及输出放大电路5还均与电源Vcc相连。

本发明中，脉冲多普勒信号(输入信号)通过耦合电容进入所述低噪声放大电路1，然后信号进入第一限幅电路2，处理后的限幅输出信号的幅度峰峰值为指定值。信号经限幅电路后再进入所述缓冲放大电路3，所述缓冲放大电路3的增益较低，其主要作用是利用运放的高阻抗对第一限幅电路2及第二限幅电路4进行有效隔离。再后，信号进入所述第二限幅电路4进行第二次限幅，所述第二限幅电路4采用采用四个二极管结构，能将脉冲多普勒信号峰峰值限制到指定值，且限幅输出幅度基本保持不变，非常稳定。最后，信号进入所述输出放大电路5，放大到需要的幅度。本发明中，所述输出放大电路5的放大倍数为29.9dB。

请继续参考图3所示，所述低噪声放大电路1包括隔直电容C1-C3、三极管Q1、电阻R1-R4，所述电容C1的一端与外部输入端IN相连，另一端通过电阻R2接地，还依次通过电阻R1及电容C2与第一限幅电路2相连，所述电阻R1与R2之间的节点与三极管Q1的基极相连，所述三极管Q1的集电极连接于电阻R1与电容C2之间的节点，所述电阻R1与电容C2之间的节点还通过电阻R4与电源Vcc相连。所述三极管Q1的发射极通过电阻R3接地，还直接通过电容C3接地。

本实施方式中，所述三极管Q1为低功耗高频三极管，所述电阻R1-R4为偏置电阻，用于为三极管Q1提供合适的静态工作点，构成低噪声放大器，所述电容C3用于调整低噪声放大器的下限截止频率。

所述低噪声放大电路1的工作原理如下：脉冲多普勒信号通过电容C1进入三极管Q1的基极，使得所述三极管Q1被导通，完成电流放大，放大后的信号从三极管Q1的集电极通过电容C2输出。在负载阻抗不变的条件下，放大器的增益受三极管Q1的发射极上所串联的电阻R3的影响较大：所述电阻R3的阻值越大，放大器的增益越低，反之亦然；但所述电阻R3的阻值越大，越能稳定放大器的工作点。为解决这一问题，本发明中将电容C3与电阻R3并联连接，由于电容C3对交流信号近似短路，从而即增大了放大器的增益，又保证了放大器的工作点稳定。本实施方式中，所述电容C3称为旁路电容，旁路电容的容值会影响放大器的下限截止频率。

请继续参考图4所示，所述第一限幅电路2包括二极管D1及D2、电阻R5，所述二极管D1的阴极通过电阻R5与电容C2的另一端(整个低噪声放大电路1的输出端)相连，阳极接地，所述二极管D2的阳极连接于二极管D1的阴极与电阻R5之间的节点，所述二极管D2的阴极接地，所述二极管D2的阳极还作为整个第一限幅电路2的输出端与缓冲放大电路3相连。本实施方式中，所述电阻R5为限流电阻，用于控制通过电流的大小。

所述双向限幅电路2工作原理如下：脉冲多普勒信号通过限流电阻R5后转换为电压信号进入两个反向并联的高速开关二极管D1、D2，当信号电压高于二极管的节电压0.6V时，所述二极管D2导通限幅；当信号电压低于-0.6V时，所述二极管D1导通限幅；当信号电压处于0.6V～-0.6V之间时，无限幅。

请继续参考图5所示，所述缓冲放大电路3包括运算放大器IC1、电阻R6-R9及电容C4，所述运算放大器IC1的电源端与电源Vcc相连，接地端接地，正相输入端通过电阻R8与电源Vcc相连，还通过电阻R9接地，所述电阻R8与运算放大器IC1的正相输入端之间的节点与第一限幅电路2的输出端相连。

所述运算放大器IC1的反相输入端依次通过电容C4及电阻R7接地，还直接通过电阻R6与运算放大器IC1的输出端相连，所述运算放大器IC1的输出端作为整个缓冲放大电路3的输出端与第二限幅电路4相连。本实施方式中，所述运算放大器IC1为宽带低功耗及电流反馈型放大器。所述电容C4用于调整整个缓冲放大电路3的下限截止频率，所述电阻R6及R7用于调整整个缓冲放大电路3的增益大小，所述电阻R8及R9用于为整个缓冲放大电路3提供直流偏置。

所述缓冲放大器工作原理如下：脉冲多普勒信号由运算放大器IC1的正向端输入，负反馈电阻R6与接地电阻R7对反馈信号进行分压，控制输出信号的大小。本实施方式中，所述电容C4为旁路电容，其容值会影响放大器的下限截止频率。所述运算放大器IC1采用单电源供电，电阻R8、R9对电源分压后为所述运算放大器IC1提供合适的静态工作点，保证其稳定工作。

请继续参考图6所示，所述第二限幅电路4包括四个二极管D3-D6及四个电阻R10-R13，所述二极管D3及D4的阳极均通过电阻R12与电源Vcc相连，所述二极管D3的阴极与二极管D5的阳极相连，所述二极管D4的阴极与二极管D6的阳极相连，所述二极管D5及D6的阴极均通过电阻R13接地。所述二极管D3与二极管D5之间的节点通过电阻R10与缓冲放大电路3的输出端相连，所述二极管D4与二极管D6之间的节点通过电阻R11后作为整个第二限幅电路4的输出端与输出放大电路5相连。

本实施方式中，所述二极管D3-D6为高速开关二极管，所述电阻R10及R11为负载电阻，用于调整信号的衰减量，所述电阻R12及R13为限流电阻，其用于控制流经整个第二限幅电路4的电流，从而控制输出限幅输出幅度，同时为后续输出放大电路5提供偏置电压。

所述高稳双向限幅电路工作原理如下：所述二极管D3、D4、D5、D6连成桥式限幅电路，所述R10为输入负载，所述R11为输出负载，且限流电阻R12及R13的阻值相等。当输入电压Vin在Vd≤Vin≤Vc范围时，所述二极管D3、D5及D4、D6顺次被加偏压，全部二极管均导通，输入信号与输出信号一致；当输入电压Vin大于Vc时，所述二极管D3截止，二极管D4的负极电压接近Vc；反之，若输入电压Vin小于Vd时，所述二极管D5截止，二极管D6的正极电压接近Vd，输出电压就被限制在Vc与Vd之间，达到限幅目的。

请继续参考图7所示，所述输出放大电路5包括运算放大器IC2、电阻R14-R17及电容C5。所述运算放大器IC2的电源端与电源Vcc相连，接地端接地，正相输入端通过电阻R16连接电源Vcc，还通过电阻R17接地，反相输入端通过电阻R14与第二限幅电路4的输出端相连，还通过电阻R15与运算放大器IC2的输出端相连，所述运算放大器IC2的输出端还直接通过电容C5后作为整个输出放大电路5的输出端。

本实施方式中，所述运算放大器IC2为高速宽带电流反馈型放大器，所述电阻R15为反馈电阻，其与电阻R14一起配合调整整个输出放大电路5的放大倍数，同时确定电路宽带的高端频率点，所述电阻R16与R17用于提供偏置电压，所述电容C5位输出隔直电容。

所述输出放大电路工作原理如下：脉冲多普勒信号由运算放大器IC2的反相输入端输入，负反馈电阻R15与电阻R14构成比例反馈网络，控制输出信号的大小。本实施方式中，所述运算放大器IC2采用单电源供电，电阻R16、R17对电源分压后为运算放大器IC2提供合适的静态工作点，保证其稳定工作。

请继续参考图8所示，其为本发明所述的高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器的较佳实施方式的电路图，其示出了图3-图7中各个电路的连接关系。

请继续参考图9所示，其为本发明所述的高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器的仿真结果图。利用PSpice软件对本发明所示的电路原理图进行仿真，在仿真过程中主要采用了以下步骤：电路的采用时域仿真；输入正弦信号，幅度Vpp为20mV，频率f0为20MHz。

本发明的高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器的电路实测结果图和仿真结果一致，在工作温度为-55℃～+125℃条件下，输出幅度稳定，脉冲展宽很小，温度稳定性非常好。

本发明的高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器采用标准的SMT(SurfaceMounting Technology)或MCM(multi-chip module)工艺制造。

本发明采用在三级放大器之间两次限幅的方式对脉冲多普勒信号进行限幅，使限幅输出信号能保持非常高的稳定性，且不同电路之间的一致性也很好，基本不需调试，便于大批量生产。同时，本发明采用的运算放大器都为宽带高速运算放大器，对脉冲多普勒信号的响应时间极快，从而使脉冲展宽很小。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器，包括：低噪声放大电路、第一限幅电路、缓冲放大电路、第二限幅电路及输出放大电路，所述低噪声放大电路、第一限幅电路、缓冲放大电路、第二限幅电路及输出放大电路依次串联连接，所述低噪声放大电路、缓冲放大电路及输出放大电路还均与电源相连；所述低噪声放大电路用于接收一脉冲多普勒信号并对其进行放大处理，所述第一限幅电路用于接收经过放大处理后的信号并对其进行限幅输出，所述缓冲放大电路用于对第一限幅电路及第二限幅电路进行有效隔离，所述第二限幅电路用于对信号进行第二次限幅，以将脉冲多普勒信号峰峰值限制到指定值，所述输出放大电路用于将经过第二次限幅后的信号放大到需要的幅度。

2.如权利要求1所述的高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器，其特征在于：所述低噪声放大电路包括第一至第三电容、三极管、第一至第四电阻，所述第一电容的一端与外部输入端相连，另一端通过第二电阻接地，还依次通过第一电阻及第二电容与第一限幅电路相连，所述第一电阻与第二电阻之间的节点与三极管的基极相连，所述三极管的集电极连接于第一电阻与第二电容之间的节点，所述第一电阻与第二电容之间的节点还通过第四电阻与电源相连，所述三极管的发射极通过第三电阻接地，还直接通过第三电容接地。

3.如权利要求2所述的高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器，其特征在于：所述三极管为低功耗高频三极管。

4.如权利要求1所述的高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器，其特征在于：所述第一限幅电路包括第一及第二二极管、第五电阻，所述第一二极管的阴极通过第五电阻与所述低噪声放大电路的输出端相连，阳极接地，所述第二二极管的阳极连接于第一二极管的阴极与第五电阻之间的节点，所述第二二极管的阴极接地，所述第二二极管的阳极还作为整个第一限幅电路的输出端与缓冲放大电路相连。

5.如权利要求1所述的高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器，其特征在于：所述缓冲放大电路包括第一运算放大器、第六至第九电阻及第四电容，所述第一运算放大器的电源端与电源相连，接地端接地，正相输入端通过第八电阻与电源相连，还通过第九电阻接地，所述第八电阻与第一运算放大器的正相输入端之间的节点与第一限幅电路的输出端相连，所述第一运算放大器的反相输入端依次通过第四电容及第七电阻接地，还直接通过第六电阻与第一运算放大器的输出端相连，所述第一运算放大器的输出端作为整个缓冲放大电路的输出端与第二限幅电路相连。

6.如权利要求5所述的高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器，其特征在于：所述第一运算放大器为宽带低功耗及电流反馈型放大器。

7.如权利要求1所述的高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器，其特征在于：所述第二限幅电路包括第三至第六二极管及第十至第十三电阻，所述第三及第四二极管的阳极均通过第十二电阻与电源相连，所述第三二极管的阴极与第五二极管的阳极相连，所述第四二极管的阴极与第六二极管的阳极相连，所述第五二极管及第六二极管的阴极均通过第十三电阻接地，所述第三二极管与第五二极管之间的节点通过第十电阻与缓冲放大电路的输出端相连，所述第四二极管与第六二极管之间的节点通过第十一电阻后作为整个第二限幅电路4的输出端与输出放大电路相连。

8.如权利要求1所述的高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器，其特征在于：所述输出放大电路包括第二运算放大器、第十四至第十七电阻及第五电容，所述第二运算放大器的电源端与电源相连，接地端接地，正相输入端通过第十六电阻连接电源，还通过第十七电阻接地，反相输入端通过第十四电阻与第二限幅电路的输出端相连，还通过第十五电阻与第二运算放大器的输出端相连，所述第二运算放大器的输出端还直接通过第五电容后作为整个输出放大电路的输出端。

9.如权利要求8所述的高稳限幅低脉冲展宽多普勒信号放大器，其特征在于：所述第二运算放大器为宽带低功耗及电流反馈型放大器。