本高频电压放大器是以运算放大器为核心的放大器，所设计的电压放大器严格按照实验要求设计，能够充分满足的电压放大倍数、频带宽、输入输出电阻等实验要求的性能参数，这次课程设计让我们了解了类似产品的内部原理结构。
本设计从理论跨向了实际。在调试中虽遇到了一些麻烦，但正是这些所谓的麻烦帮我了提高了调试和修改设计的能力。
通过一系列的调试与检测，本放大器基本实现了电压放大的功能，在实际的测试中，也达到预期的设计目标。
关键词：电压放大；滤波器；OPA642。
abstract
The high-frequency voltage amplifier is an operational amplifier as the core of the amplifier, voltage amplifier designed in strict accordance with the test requirementsdesigned to fully meet the voltage gain, bandwidth, performance parameters, such asinput and output resistance test requirements, the curriculum design let us understandthe internal structure principle similar products.
This design from the theoretical to the practical cross. Although the commissioning had some trouble, but it is these so-called trouble to help me improve the ability to debugand modify the design.
Through a series of debugging and testing, the basic realization of the amplifiervoltage amplification functions in the actual test, but also to achieve the desired design goals.
Keywords: voltage amplification; filters; OPA642.
目 录
引言………………………………………………………………………………1 1 高频电压放大器原理………………………………………………………1
1.1 设计目的………………………………………………………………………1 1.2 设计要求……………………………………………………………………1 1.3 设计方案及原理框图…………………………………………………………1 1.4 带通滤波器……………………………………………………………………1 1.5 运算放大器……………………………………………………………………5
2 单元电路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 3 电路的调试………………………………………………………………9 4 结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 11 谢 辞„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12
引言
电压放大器(Voltage Amplifier)是提高信号电压的装置。对弱信号，常用多级放大，级联方式分直接耦合、阻容耦合和变压器耦合，要求放大倍数高、频率响应平坦、失真小。当负载为谐振电路或耦合回路时，要求在指定频率范围内有较好幅频和相频特性以及较高的选择性。运算放大器（常简称为“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。
1 高频电压放大器原理
1.1 设计目的
（1）综合运用相关课程所学到的理论知识去独立完成本题目的设计； （2）通过查询相关资料，培养独立分析解决问题的能力； （3）学会电路的安装与调试及故障分析； （4）熟悉电子仪器的正确使用； （5）学会撰写课程设计的总结报告； 1.2 设计要求
输入：5MHZ±100KHZ/0.1Vpp/75Ω。 输出：4Vpp/75Ω。 1.3设计方案及原理框图
采用带通滤波器作为选频电路，高频运放作为电压放大电路，方案方框图如下图所示：
带通滤波器
1.4 带通滤波器
滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率（通常是某个频率范围）的信号通过，而其它频率的信号幅值均要受到衰减或抑制。这些网络可以由RLC 元件或RC 元件构成的无源滤波器，也可由RC 元件和有源
达到设计要求，电压放大40倍
运算放大器
示波器 器件构成的有源滤波器。根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、和带阻滤波器（BEF）四种。一个理想的带通滤波器应该有一个完全平坦的通带，在通带内没有放大或者衰减，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。
高频滤波电容主要工作在开关电源整流后的滤波，其工作频率为几千Hz到几万Hz。
当我们将低频滤波电容用于高频电路时，由于低频滤波电容高频特性不好，它在高频充放电时内阻较大，等效电感较高。因此在使用中会因电解液的频繁极化而产生较大的热量。而较高的温度将使电容内部的电解液气化，电容内压力升高，最终导致电容的鼓包和爆裂。
如何正确选择滤波电容，尤其是输出滤波电容的选择则是每个工程技术人
员十分关心的问题。
50赫兹工频电路中使用的普通电解电容器，其脉动电压频率仅为100赫兹，充放电时间是毫秒数量级。为获得更小的脉动系数，所需的电容量高达数十万微法，因此普通低频铝电解电容器的目标是以提高电容量为主，电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。而开关电源中的输出滤波电解电容器，其锯齿波电压频率高达数万赫兹，甚至是数十兆赫兹。这时电容量并不是其主要指标，衡量高频铝电解电容优劣的标准是“阻抗- 频率”特性。要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗，同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。
普通的低频电解电容器在万赫兹左右便开始呈现感性，无法满足开关电源的使用要求。
而开关电源专用的高频铝电解电容器有四个端子，正极铝片的两端分别引
出作为电容器的正极，负极铝片的两端也分别引出作为负极。电流从四端电容的一个正端流入，经过电容内部，再从另一个正端流向负载；从负载返回的电流也从电容的一个负端流入，再从另一个负端流向电源负端。 在电源设计中,滤波电容的选取原则是：
C≥2.5T/R 其中：C为滤波电容，单位为UF；T为频率，单位为Hz；R为负载电阻，单位为Ω。
当然，这只是一般的选用原则，在实际的应用中，如条件(空间和成本)允许，都选取C≥5T/R。
由于四端电容具有良好的高频特性，为减小电压的脉动分量以及抑制开关尖
峰噪声提供了极为有利的手段。高频铝电解电容器还有多芯的形式，即将铝箔分成较短的若干段，用多引出片并联连接以减小容抗中的阻抗成份。并且采用低电阻率的材料作为引出端子，提高了电容器承受大电流的能力。
实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度的dB数来表示。通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦，开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。本次课设采用的是由RC构成的无源带通滤波器。如下图所示：
幅频特性的示意图：
无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点。图中的带通滤波器由一个高通滤波器串联一个低通滤波器构成，频率范围为f=(1/R1C1-1/R2C2)的信号频率可通过该滤波器。
由于要求输入的信号频率为（4.9—5.1）MHZ,故经计算取R1=204Ω，C1=1000pF,R2=196Ω，C2=1000pF。 1.5 运算放大器
运算放大器是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。
运放如图有两个输入端a（反相输入端），b（同相输入端）和一个输出端o。也分别被称为倒向输入端非倒向输入端和输出端。当电压U-加在a端和公共端（公共端是电压为零的点，它相当于电路中的参考结点。）之间，且其实际方向从a 端高于公共端时，输出电压U实际方向则自公共端指向o端，即两者的方向正好相反。当输入电压U+加在b端和公共端之间，U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同。为了区别起见，a端和b 端分别用\"-\"和\"+\"号标出，但不要将它们
误认为电压参考方向的正负极性。电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。反转放大器和非反转放大器如下图：
非反转放大器
运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。 运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器。
运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：输出电压=A0（E1-E2），其中，A0 是运放的低频开环增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的输入信号电压，E2 是反相端的输入信号电压。
OPA642提供了一个相当好的单片运算放大器的速度和动态范围。具有增益稳定的电压反馈架构。TURE具有两个内部增益级,OPA642实现在很宽的极低的谐波失真频率范围。低电压噪声和高输出电流驱动的OPA642对于大多数高动态范围的应用的理想选择。 芯片特点：
低失真：-95dBc在5MHz 增益+1带宽：400MHz的 可供采用SOT23-5封装 高开环增益：95分贝 高共模抑制比：90dB
FAST 12-bit稳定：达13ns（0.01％） 低噪声：2.7nV /√Hz的 高输出电流：±60mA
OPA642结合速度和动态范围的输入放大器接口电路的设计。很容易实现在各种各样的应用电路,提供好的设计实践的简单原则面临一个非常高的动态范围转换器。例如,好的电源去耦,作为应用程序域允许OPA642操作,是至关重要的实现尽可能低的大多数线性区域,使用一个信号波动谐波失真和平滑的频率响应范围。适当的左右对称地(0 v),然后印刷电路板布局和小心组件选择将马克西- level-shifted通过阻塞电容器直流参考-麦斯OPA642的性能在所有应用程序中,竟像级别,这是由well-decoupled电阻的剩余部分中讨论这个数据表。转换器的内部参考电压分压器。大部分的范围(SFDR)转换器、放大器的SFDR应该曲线特征用信号来源50Ω至少10 db更大。驱动阻抗,与测量设备的pre -插入OPA642有着不可估量的影响并用50Ω并联负载阻抗。 芯片的内部引脚如下图所示：
2单元电路设计
原理框图如下图所示：
根据原理框图，画得PCB图：
焊接好的电路板如下图所示：
电路的电压增益为：Uf=1+R5/R6，由于要求的电压放大倍数为40倍，所以R5=39R6，为了方便调试，R5采用阻值1K、R6采用阻值为10K的滑动变阻器。偏置电阻R3和负载电阻R4的阻值均为75Ω。
3 电路的调试
焊接好电路板后，用万用表认真检测电路，确定没有虚焊、漏焊后，连接电路。运放芯片需要±5V的输入，用信号发生器输入频率为5MHZ,幅度为0.1V的正弦波信号，缓慢改变频率，观察示波器上的波形，找出中心频率。调节滑动变阻器，让电压增益达到40倍，观察并记录波形。调试得到的波形如下图所示：
4 结论
通过这次高频电压放大器的设计让我认识到一套好的设计流程的重要性。
在做设计前，需要查阅大量的相关资料，对于相关的设计做到心中有数，明白不同设计的优与劣，做到最优的设计。
在设计过程中，要对自己设计的电路进行理论分析，判断可行性，尽量多的考虑外界因素对其造成的影响，以方便在不同需求时做出相应的改变；其次就是对电路的仿真，一般分为软件仿真和硬件仿真，当然软件的效果比较差，它都是在理想条件下成立的，即理论上得到的，所以硬件仿真是最重要的。在完成所有电路的硬件仿真之后，达到预期的效果之后就可以开始制作电路。
做好本次课程设计的前提就是对于书本知识掌握较熟练，这样才能对出现的问题做出一定的分析和解决。
参考文献
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谢 辞
非常感谢赵秋明老师在我大学的最后学习阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们完成课程设计，他放弃了自己的休息时间，他的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向她们表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下。
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