# 2013年D题：宽带可变增益放大器
## 1.题目要求
### 1.原题截图
### 2.指标整理
| 设计指标 | 参数要求 |
| ——– | ——– |
| 系统增益范围 | \(0\sim 60\,\text{dB}\) |
| 工作频带 | \(0\sim 80\,\text{MHz}\) |
| 负载电阻 | \(50\,\Omega\) |
| 输出噪声 | 峰峰值小于\(100\,\text{mV}\) |
| 基础部分完成情况 | 绝大部分满足 |
| 发挥部分完成情况 | 暂未完全满足 |
## 2.初步方案
### 1.总体结构
系统采用三级结构：前级低噪声放大器、AD8336可变增益放大器、后级宽带大电流输出放大器。
| 模块 | 主要作用 | 增益贡献 |
| —- | ——– | ——– |
| 第一级低噪声放大器 | 降低系统输入等效噪声，并提供前级固定增益 | \(6\,\text{dB}\) |
| 阻容高通网络 | 隔直流，避免前级失调被后级继续放大 | 不提供主要增益 |
| AD8336 | 实现宽范围可变增益调节 | \(-14\sim 46\,\text{dB}\) |
| 第三级OPA695放大器 | 提供后级固定增益和\(50\,\Omega\)带载能力 | \(14\,\text{dB}\) |
| \(50\,\Omega\)负载分压 | 输出端匹配负载导致幅度衰减 | \(-6\,\text{dB}\) |
### 2.AD8336增益设置
AD8336前后可以通过电阻设置固定增益。由图中电阻关系可得：
<div align="center">
\(\displaystyle Gain_1 = 1 + \frac{R_5}{R_4} = 4\)
</div>
根据AD8336数据手册，其可调增益范围为：
<div align="center">
\(\displaystyle -14\sim 46\,\text{dB}\)
</div>
增益由控制电压差决定：
<div align="center">
\(\displaystyle V_{GPOS}-V_{NEG}\)
</div>
在仿真中，取\(V_{NEG}=0.7\,\text{V}\)。当\(V_{GPOS}\)从\(0\)变化到\(1.4\,\text{V}\)时，AD8336增益恰好从\(-14\,\text{dB}\)变化到\(46\,\text{dB}\)。
### 3.系统总增益
三级系统在带\(50\,\Omega\)负载时，总增益为：
<div align="center">
\(\displaystyle 6\,\text{dB}+(-14\sim 46)\,\text{dB}+14\,\text{dB}-6\,\text{dB}=0\sim 60\,\text{dB}\)
</div>
其中最后的\(-6\,\text{dB}\)来自输出端\(50\,\Omega\)负载分压衰减。
### 4.后级运放选择
第三级接入增益约\(14\,\text{dB}\)的放大器。由于输出端需要驱动\(50\,\Omega\)负载，最后一级运放需要具备较强带载能力和较宽带宽。
初步方案中，购买的模块实际为AD8336与OPA695组合，因此后级选用OPA695。
## 3.设计注意事项
### 1.高速电流反馈运放的特点
为满足高带宽和强带载需求，系统中的后级运放大多需要采用高速电流反馈型运放。这类运放具有以下特点：
– 容易自激：PCB布局布线需要严格控制寄生参数和反馈回路面积。
– 噪声较大：系统第一级运放必须尽量选择低噪声器件，否则后续增益会继续放大前级噪声。
– 失调电压、电流较大：第一级与第二级之间需要加入高通隔直网络，否则第一级输出直流偏置会被后级继续放大，导致系统工作点异常。
– 反馈电阻不能随意选取：与电压反馈型运放不同，电流反馈型运放的反馈电阻会显著影响稳定性和带宽，通常应按照数据手册推荐值选取。
– 输入端阻抗需要匹配：正负输入端等效阻抗最好尽量匹配，以减小偏置电流引入的失调误差。
### 2.噪声问题
系统最大增益达到\(60\,\text{dB}\)，因此前级噪声会被显著放大。若第一级低噪声放大器、电流反馈运放、可变增益放大器或大阻值电阻引入的噪声过大，最终输出噪声峰峰值可能无法满足题目要求。
### 3.带内平坦度问题
在\(0\sim 80\,\text{MHz}\)范围内，系统不仅需要足够带宽，还需要增益曲线足够平坦。实际仿真结果表明，低增益状态下的带内起伏是该方案的主要问题之一。
## 4.仿真结果
### 1.系统增益为\(0\,\text{dB}\)
– 增益与频率曲线：
– 噪声值：
### 2.系统增益为\(60\,\text{dB}\)
– 增益与频率曲线：
– 噪声值：
## 5.结果总结
### 1.指标达成情况
| 工作状态 | 仿真结论 | 是否满足要求 |
| ——– | ——– | ———— |
| 系统增益\(0\,\text{dB}\) | \(0\sim 80\,\text{MHz}\)带内增益起伏较大 | 不满足 |
| 系统增益\(60\,\text{dB}\) | 输出噪声峰峰值超过\(100\,\text{mV}\) | 不满足 |
### 2.主要问题
– 低增益状态下，带内平坦度不足，说明系统频率响应仍需优化。
– 高增益状态下，输出噪声超标，说明前级噪声、后级电流反馈运放噪声和电阻热噪声需要进一步控制。
– 当前方案基础部分大多能够覆盖，但发挥部分仍需要进一步优化器件选型和电路结构。
2013年D题：宽带可变增益放大器
1.题目要求
1.原题截图
2.指标整理
| 设计指标 |
参数要求 |
| 系统增益范围 |
\(0\sim 60,\text{dB}\) |
| 工作频带 |
\(0\sim 80,\text{MHz}\) |
| 负载电阻 |
\(50,\Omega\) |
| 输出噪声 |
峰峰值小于\(100,\text{mV}\) |
| 基础部分完成情况 |
绝大部分满足 |
| 发挥部分完成情况 |
暂未完全满足 |
2.初步方案
1.总体结构
系统采用三级结构：前级低噪声放大器、AD8336可变增益放大器、后级宽带大电流输出放大器。
| 模块 |
主要作用 |
增益贡献 |
| 第一级低噪声放大器 |
降低系统输入等效噪声，并提供前级固定增益 |
\(6,\text{dB}\) |
| 阻容高通网络 |
隔直流，避免前级失调被后级继续放大 |
不提供主要增益 |
| AD8336 |
实现宽范围可变增益调节 |
\(-14\sim 46,\text{dB}\) |
| 第三级OPA695放大器 |
提供后级固定增益和\(50,\Omega\)带载能力 |
\(14,\text{dB}\) |
| \(50,\Omega\)负载分压 |
输出端匹配负载导致幅度衰减 |
\(-6,\text{dB}\) |
2.AD8336增益设置
AD8336前后可以通过电阻设置固定增益。由图中电阻关系可得：
\(\displaystyle Gain_1 = 1 + \frac{R_5}{R_4} = 4\)
根据AD8336数据手册，其可调增益范围为：
\(\displaystyle -14\sim 46\,\text{dB}\)
增益由控制电压差决定：
\(\displaystyle V_{GPOS}-V_{NEG}\)
在仿真中，取\(V_{NEG}=0.7,\text{V}\)。当\(V_{GPOS}\)从\(0\)变化到\(1.4,\text{V}\)时，AD8336增益恰好从\(-14,\text{dB}\)变化到\(46,\text{dB}\)。
3.系统总增益
三级系统在带\(50,\Omega\)负载时，总增益为：
\(\displaystyle 6\,\text{dB}+(-14\sim 46)\,\text{dB}+14\,\text{dB}-6\,\text{dB}=0\sim 60\,\text{dB}\)
其中最后的\(-6,\text{dB}\)来自输出端\(50,\Omega\)负载分压衰减。
4.后级运放选择
第三级接入增益约\(14,\text{dB}\)的放大器。由于输出端需要驱动\(50,\Omega\)负载，最后一级运放需要具备较强带载能力和较宽带宽。
初步方案中，购买的模块实际为AD8336与OPA695组合，因此后级选用OPA695。
3.设计注意事项
1.高速电流反馈运放的特点
为满足高带宽和强带载需求，系统中的后级运放大多需要采用高速电流反馈型运放。这类运放具有以下特点：
- 容易自激：PCB布局布线需要严格控制寄生参数和反馈回路面积。
- 噪声较大：系统第一级运放必须尽量选择低噪声器件，否则后续增益会继续放大前级噪声。
- 失调电压、电流较大：第一级与第二级之间需要加入高通隔直网络，否则第一级输出直流偏置会被后级继续放大，导致系统工作点异常。
- 反馈电阻不能随意选取：与电压反馈型运放不同，电流反馈型运放的反馈电阻会显著影响稳定性和带宽，通常应按照数据手册推荐值选取。
- 输入端阻抗需要匹配：正负输入端等效阻抗最好尽量匹配，以减小偏置电流引入的失调误差。
2.噪声问题
系统最大增益达到\(60,\text{dB}\)，因此前级噪声会被显著放大。若第一级低噪声放大器、电流反馈运放、可变增益放大器或大阻值电阻引入的噪声过大，最终输出噪声峰峰值可能无法满足题目要求。
3.带内平坦度问题
在\(0\sim 80,\text{MHz}\)范围内，系统不仅需要足够带宽，还需要增益曲线足够平坦。实际仿真结果表明，低增益状态下的带内起伏是该方案的主要问题之一。
4.仿真结果
1.系统增益为\(0,\text{dB}\)
2.系统增益为\(60,\text{dB}\)
5.结果总结
1.指标达成情况
| 工作状态 |
仿真结论 |
是否满足要求 |
| 系统增益\(0,\text{dB}\) |
\(0\sim 80,\text{MHz}\)带内增益起伏较大 |
不满足 |
| 系统增益\(60,\text{dB}\) |
输出噪声峰峰值超过\(100,\text{mV}\) |
不满足 |
2.主要问题
- 低增益状态下，带内平坦度不足，说明系统频率响应仍需优化。
- 高增益状态下，输出噪声超标，说明前级噪声、后级电流反馈运放噪声和电阻热噪声需要进一步控制。
- 当前方案基础部分大多能够覆盖，但发挥部分仍需要进一步优化器件选型和电路结构。
