一种高增益电压放大电路的设计与实验_曹磊.pdf

第 卷第 期 年 月电气电子教学学报 收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金青年项目（）第一作者：曹磊（），男，博士，副教授，主要从事电路理论的教学与高频电磁参数测量、数值分析方面的研究工作，：一种高增益电压放大电路的设计与实验曹 磊 胡志鹏（华中科技大学 电气与电子工程学院，武汉）摘要：反馈放大电路和滤波电路在理论分析和实践教学中都比较重要，然而在传统的电路实验教学中，少有将二者结合的任务驱动型电路设计实验。从太赫兹探测器读出电路这一实际的科研任务出发，设计了一种由前置放大、二级放大和有源滤波三个模块级联组成的高增益低噪声放大电路，并完成了仿真分析、参数调整优化和实验验证。这一内容有助于培养学生基于实际需求的电路综合设计、仿真分析和动手实践的能力。关键词：放大电路；滤波电路；读出电路；高增益中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）（，）：，（，），：；在电磁波谱中，太赫兹波（）位于微波与红外之间，处于电子学向光子学的过渡波段，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。对于太赫兹探测器而言，强度不同的太赫兹信号经低频斩波器等调制后，由探测器采集转化为模拟电信号，该信号经由读出电路阵列放大后输入至 设备转化为数字信号，最后经计算机处理实现太赫兹成像和光谱等应用。在这一过程中，读出电路的功能是将微弱的太赫兹芯片输出信号从复杂环境噪声中提取出来并放大。以实际的太赫兹探测器读出电路及其指标参数为出发点，完成了一种高增益放大电路的设计、仿真和实验验证，并给出了相关参数的推导和设计准则。作为传统电路分析的一个补充，设计的电路和实验可以进一步增强学生依据实际需求，设计电路结构（电路综合）、分析电路参数和输出以及开展实验验证的能力。同时，作为电路综合实验的一部分，学生也可以本文为基础，通过扩充功能、完善设计和优化参数，实现学以致用的最终效果。设计目标和整体结构以探测器芯片输出的模拟电压为输入信号，其幅值大小为微伏量级，调制信号频率为 。要求设计一种高增益低噪声的放大电路，在保证输出电压波形不失真的前提下实现 的电压增益。一方面，读出电路要对微弱的电压信号进行充分放大，需要 甚至更大量级的增益，一级放大电路显然难以满足需求，考虑使用两级放大电路级联；另一方面，读出电路需要滤除来自高频以及 工频信号的干扰，以提高信噪比，因此还需要合理地设计滤波电路。综上，将高增益低噪声读出电路的整体结构设计如图 所示。图 高增益低噪声读出电路整体结构示意图 读出电路由前置放大模块、二级放大模块和有源滤波模块三个部分组成。前两级可以设计为简单的反向比例放大电路。滤波部分选择有源滤波方式以提高滤波特性，维持增益的稳定。电路设计与仿真分析 前置放大模块前置放大模块电路如图 所示，从电阻热噪声的角度考虑，结合常用的电阻阻值，将反相端的放大电阻对设置为 和 ，在同相端引入直流偏置以保证输入波形的下半部分不失真，同相端的平衡电阻为 。由于在信号源外经电阻悬浮接地的方式引入了直流偏置，为防止电位浮动，需在接地电阻两端并联 的齐纳二极管。尽管引入了直流偏置，但运算放大器 还是使用 双电源电压供电，不采用单电源是为了进一步扩大运放工作范围，防止运放饱和。图 前置放大电路根据输入信号的要求，设置正弦电压源有效值为 、频率为 。对输出信号进行 耦合采样，得到滤除直流成分后的交流输出信号如图 所示，峰值约为 ，放大倍数约 倍，与理论预期符合。若使用 耦合采样则可以得到电压峰值约为 。输出波形显示为完整的正弦波，也从侧面反映了运放的输入电压在有效范围内。这说明直流偏置电压并未随电压信号一起放大，仅起到抬高电压基准值的作用，否则运放会工作在饱和区，无法得到正常的输出信号波形。从电路理论的角度分析，不妨设输入信号幅值为，运放输出端电位为，运放同相输入端所连接的电阻分压电路处提供的直流偏置为，对运放反相输入端列写 方程可得：（）（）即 。在大致保持 的前提下，可以通过改变 和 的比例调整偏置电压，使得输出波形在运放的有效工作范围内。图 前置放大电路仿真波形图（耦合采样）二级放大模块单一的前置放大倍数不满足设计要求，因此二级放大模块用于进一步放大电压信号，提高响应电压的信噪比和易读取性。二级放大模块电路结构如图 所示，其中电容 用于隔离前置放大电路输出的直流偏置电压，结合本级运放（）同相端提供的 偏置，达到偏置电压只被跟随而不被放大的效果。图 二级放大电路以有效值为 且叠加有 直流偏置的电压信号作为输入，经二级放大模块放大后的波形如图 所示。采样波形结果表明，与前置放大模块类似，二级放大电路也能正常放大电压信电气电子教学学报 第 卷号，放大倍数为 倍。采样波形结果表明，前置模块带来的偏置被有效滤除而未被放大，因此本级提供的偏置电压能够被良好跟随。（）采样（）采样图 二级放大电路仿真波形图 有源滤波模块根据模拟电子技术知识，巴特沃斯滤波器在其通带内的频率响应特性曲线可以做到最大限度的平坦，几乎没有起伏，而在通带之外，幅频响应特性曲线会较缓慢地下降到零，随滤波器阶数的增大，曲线趋于零的速度越快，更接近理想滤波器的特性，但通带和阻带的过渡部分的曲线超调也越明显。巴特沃斯滤波器广泛应用于低频信号处理，适合本文探测器的调制信号频率（）。一般而言，当品质因数 时，此类滤波器的幅频曲线近似于一个起伏微小的平台，意味着稳定的通带增益，这对于保持读出电路增益的稳定性尤为重要。图 是调制频率为 时有源二阶低通滤波模块的电路结构。依据模拟电子技术理论，通带电压增益 ，等效品质因数 （），特征角频率 ，特征频率 （）。电路的传递函数（）为：图 低通滤波电路 （）（）首先，截止频率 （）要比 稍大一些，这里取 为 、为 ，得到截止频率 。然后，对于品质因数 （）（），一般当 取值为 会使得幅频响应的过渡区域更平滑，此时相应的有 。最后，运放同相和反相端要实现阻抗匹配，即 ，考虑到常用贴片电阻值，选取 ，。代入（）式，本级的交流信号增益为 倍。对该电路进行 图仿真，得到幅频响应曲线如图 所示，在工频 时的衰减达到。图 低通滤波器幅频响应曲线 读出电路整体仿真图 是由前置放大模块、二级放大模块和滤波模块级联得到的完整读出电路。输入信号经过前置放大模块获得了 倍的增益和 的直流偏置；经过二级放大模块，直流偏置被电容 隔离，该段增益为，并叠加了 的直流偏置；经过滤波模块，调制频率 时交流信号的增益为 。第 期曹磊，等：一种高增益电压放大电路的设计与实验图 读出电路 不考虑直流偏置电压，使用 采样，三个模块的输出电压信号如图 所示。前置放大（通道）、二级放大（通道）和有源滤波模块对应的输出电压最大幅值分别为 、。因此，在保证波形不失真的情况下，整个读出电路能够将有效值为 的正弦电压放大为幅值 的正弦电压，最终的放大倍数为 。（）前置放大与二级放大模块输出波形（）有源滤波模块输出波形图 各级输出电压信号 电阻和电容的取值为了能够对微弱输入电压信号进行充分放大，每级放大电路增益的量级至少为，若选用比例放大电路，反馈回路上的电阻需具有较大的阻值。然而考虑到电阻越大，其本身产生的热噪声也越大，并且电阻制作工艺上导致的误差也越大，这些因素都有可能降低电压信号的质量，因此需要依据最终所需的放大倍数对电阻进行合理的取值。待测的电压信号为 ，放大后的电压幅值需控制在 以内，即使不考虑滤波电路的增益，前两级放大电路的增益之积应小于 ，结合运放同反相端的平衡电阻通常为 级别，电阻值可选取从 到 不等。对于电容，考虑到本文处理的信号为交流信号，因此信号回路中的滤波电容不能选取有极性的电解电容，应选取无极性的瓷片电容，去耦电容则可以使用电解电容，用来降低元件与电源端耦合产生的噪声。本文所处理的输入信号频率为 ，可以选取小电容来更好地滤去高频噪声并提高响应速度。综合考虑到电阻的阻值选取范围、滤波电路的阻容匹配、常用的瓷片电容值等因素，电容值应选取 量级。电路搭建与响应测试图 是在简易面包板上搭建的读出电路实际接线图。模拟信号源输出信号为有效值 ，频率 的正弦电压信号，最终输出波形（耦合）是相同频率且幅值为 的正弦电压信号，如图 所示，输出电 压 纹 波 系 数 为 。与前文读出电路整体仿真波形图对比可知，实际响应幅值（）与理论响应（）基本一致，实际的增益（）与仿真结果（）电气电子教学学报 第 卷图 读出电路实际接线图图 读出电路响应电压波形相近，这说明读出电路的功能得到了完整的实现，所设计的电路能够满足设计指标要求。然而，除了元件实际参数与标称值差异外，各模块级联存在相互的干扰作用（接触电阻、耦合电容等）也会对实际测量结果产生一定的影响。学生可以依据所设计的电路对输出电压进行灵敏度分析，即定量评估各元件参数变化对输出电压的影响。结语从太赫兹探测器读出电路的参数指标出发，设计了由前置放大、二级放大、有源滤波三个模块级联组成的高增益低噪声放大电路，给出了各模块的电路结构和响应波形图，并详细说明了参数的调整过程，最后通过搭建的实际电路验证了设计的正确性。同时，作为电路综合的一个案例，有助于加深学生对运算放大电路和滤波器电路知识点的理解，增强学生出于实际需求分析、设计和实践的能力。此外，由于实际的太赫兹探测器读出电路的输入电压幅值随外界激励变化而发生波动，读出电路还需要实现自动增益可调的功能，以扩大测量范围并防止因运放饱和导致的波形失真。该功能可以通过设置多个增益档位，使用单片机调控模拟开关芯片来实现，可作为拓展的实践内容之一。另一方面，输入信号的频率也会发生变化（例如增加到），相应的有源滤波模块需要随之调整。参考文献周强国，黄志明 太赫兹成像技术研究进展及应用 红外技术，（）：曹磊，夏慧婷 非线性均匀传输线的暂态响应 电气电子教学学报，（）：颜秋容 电路理论 基础篇 北京：高等教育出版社，黄波 巴特沃斯数字滤波器的设计与仿真实现 河南科技，（）：康华光 电子技术基础模拟部分 北京：高等教育出版社，曹钰 数字电子电路干扰及抑制对策 电子制作，（）：第 期曹磊，等：一种高增益电压放大电路的设计与实验