CN115833763A - 一种直接耦合的超宽带固定增益放大模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直接耦合的超宽带固定增益放大模块，将宽带信号分为两路：高频路径和低频路径。低频路径通过普通的运算放大器进行放大，而高频路径使用低噪放宽带放大器进行放大，分别进行放大后再将信号合并。其中，高频路径采用两级放大，两级之间用均衡器对高频部分进行补偿，使得高频信号的增益在整个高频信号的频率范围内保持平坦，同时，低频路径采用可调低通滤波器LPF调整高频路径、低频路径之间的交叠带幅频响应的平坦性，这样，使得保证了信号低频和高频增益的一致性。高频路径、低频路径的输出信号分别输入到差分驱动器的同相输入端和反相输入端口，便可得到一对可用于驱动ADC的差分信号。

Description

一种直接耦合的超宽带固定增益放大模块
技术领域
本发明属于超宽带放大器技术领域，更为具体地讲，涉及一种应用于高性能电子测试仪器的一种直接耦合的超宽带固定增益放大模块。
背景技术
科技的进步不断促进电子行业发展。随着电路集成度的不断提高和生产工艺的不断改进，电子产品更新周期越来越短，消费类和军用电子设备都在加速更新换代。在这些设备翻新的背后，离不开各类测试仪器的支持。随着电子信号频率的提高，尤其是信号上升时间呈指数减小，对宽带测试仪器提出了更高的要求。其中，更高带宽的放大器是信号完整性测试的重要模拟器件。比如，示波器作为一种通用的测试仪器，广泛应用于对各类信号的测试，利用示波器可以完成对信号质量检查，电路故障诊断，电源噪声分析，眼图分析等工作，这就要求示波器模拟输入带宽能够覆盖从直流开始到GHz，甚至更高频率范围。
超宽带放大器原理：
超宽带放大器包括宽带运算放大器、低噪声放大器等类型。
宽带运算放大器通过负反馈原理，实现对信号的放大，该方式具有较好的稳定性，但随着频率的升高，负反馈的延迟变得不可忽略，因而最高带宽受到限制，目前已知的宽带运算放大器基本不超过10GHz，并且放大倍数较小，放大能力弱，通常用作宽带ADC驱动。
在低噪声放大器(简称低噪放，LNA)方面，能够实现低频交流至高频的宽带放大器不少，但由于存在输入的直流偏置，外部输入端必须通过隔直电容输入，无法实现对直流信号的放大。
对于从直流开始到更高带宽的宽带放大器，国外采用了定制化的集成化技术途径，从芯片级层面进行解决，技术严格保密，具体实现原理不得而知。目前我国在这方面积累较少，需要进行研究和探索。因此目前国内普遍采用分立器件搭建模拟前端电路，但分立器件的带宽和成本往往不理想。模拟通道的带宽通常限制于放大器的带宽，而超带宽的放大器很难保证低频和高频增益的一致性，且其价格往往极其昂贵
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种直接耦合的超宽带固定增益放大模块，以实现超宽带固定增益放大的同时，保证低频和高频增益的一致性，且价格相对便宜。
为实现上述发明目的，本发明直接耦合的超宽带固定增益放大模块，其特征在于，为单端输入，包括高频路径、低频路径以及差分驱动输出三个部分，需要放大的宽带信号分别经高频路径进行高频信号放大、低频路径进行低频及直流信号放大的高低频分离放大之后，通过差分驱动器叠加，以差分方式输出；
高频路径包括级联的第一级低噪放LNA1、均衡器EQY以及第二级低噪放LNA2，宽带信号经过第一级低噪放LNA1、均衡器EQY以及第二级低噪放LNA2后作为差分驱动的一路输入，其中，第一级低噪放LNA1、第二级低噪放LNA2用于对宽带信号中的高频信号进行放大处理，均衡器EQY起衰减作用，其高频部分衰减小，对第一级低噪放LNA1、第二级低噪放LNA2高频部分增益进行补偿，从而使得高频信号的增益在整个高频信号的频率范围内保持平坦，高频路径放大后的高频信号输出到差分驱动器正端；
低频路径包括级联的可调低通滤波器LPF以及第一级运算放大器OPA1、第二级运算放大器OPA2，宽带信号经过可调低通滤波器LPF以及第一级运算放大器OPA1、第二级运算放大器OPA2后作为差分驱动的另一路输入，其中，可调低通滤波器LPF的带宽可调，用于调整高频路径、低频路径之间高低频分离的交叠带幅频响应的平坦性，其中，第一级运算放大器OPA1为电压跟随器，第二级运算放大器OPA2用于低频信号的反相放大，放大倍数同高频路径一致，为差分放大器，其输入一端与第一级运算放大器OPA1的输出端连接，输入另一端与接直流偏置调节电压，用于调节直流偏置，低频路径放大后的低频及直流信号输出到差分驱动器负端；
其中，高频路径、低频路径的放大倍数即增益需要保持一致；高低频分离的交叠带必须高于第一级低噪放LNA1、第二级低噪放LNA2的下限截止频率，且低于第一级运算放大器OPA1、第二级运算放大器OPA2的上限截止频率。
本发明的目的是这样实现的。
本发明直接耦合的超宽带固定增益放大模块，为降低成本，使用低噪放宽带放大器搭建放大模块，然而低噪放宽带放大器受其内部结构等原因的影响，不能实现直接耦合，无法通过DC直流甚至是低频信号。因此本发明将宽带信号分为两路：高频路径和低频路径。低频路径通过普通的运算放大器进行放大，而高频路径使用低噪放宽带放大器进行放大，分别进行放大后再将信号合并。其中，高频路径采用两级放大，两级之间用均衡器对高频部分进行补偿，使得高频信号的增益在整个高频信号的频率范围内保持平坦，同时，低频路径采用可调低通滤波器LPF调整高频路径、低频路径之间的交叠带幅频响应的平坦性，这样，使得保证了宽带信号低频和高频增益的一致性。高频路径、低频路径的输出信号分别输入到差分驱动器的同相输入端和反相输入端，便可得到一对可用于驱动ADC的差分信号。
本发明立足于现有技术基础，研究了能够实现直流耦合，带宽到10GHz以上的超宽带固定增益放大模块，解决现有测试仪器(高性能数字示波器)的模拟通道对宽带放大器的需求问题，并可以作为进一步研究集成化宽带放大器的技术参考。
附图说明
图1是本发明直接耦合的超宽带固定增益放大模块一种具体实施方式原理示意图；
图2是本发明直接耦合的超宽带固定增益放大模块一种具体实现的电路原理；
图3是图2所示直接耦合的超宽带固定增益放大模块的等效输入电路；
图4是图2所示直接耦合的超宽带固定增益放大模块幅频仿真结果图；
图5是图2所示直接耦合的超宽带固定增益放大模块时域方波响应仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
LNA宽带放大器受其内部结构等原因的影响不能实现直接耦合，无法通过DC直流甚至是低频信号。因此本发明考虑将输入放大的宽带信号分为两路，分别为高频路径和低频路径。低频路径可通过普通的运算放大器进行放大，而高频路径使用低噪放进行放大，分别进行放大后再将信号合并。
通常高速ADC输入为差分输入，因此高速ADC的驱动电路需采用差分结构的输出。可将两条路径的信号作为一对“差分信号”输入到驱动电路的差分输入，便可得到一对可用于驱动ADC的差分信号。
本发明利用已有的宽带低噪声放大器和低频运算放大器，采用将输入的宽带信号进行高低频信号分离的方法，最后通过差分驱动器进行叠加后输出，原理组成如图1所示。
图1是本发明直接耦合的超宽带固定增益放大模块一种具体实施方式原理示意图。
在本实施例中，如图1所示，本发明直接耦合的超宽带固定增益放大模块为单端输入，包括高频路径HF、低频路径LF以及差分驱动输出三个部分，需要放大的宽带信号分别经高频路径HF进行高频信号放大、低频路径LF进行低频及直流信号放大的高低频分离放大之后，通过差分驱动器叠加，以差分方式输出。其中，高频路径HF、低频路径LF构成固定增益放大。
高频路径HF包括级联的第一级低噪放LNA1、均衡器EQY以及第二级低噪放LNA2，宽带信号经过第一级低噪放LNA1、均衡器EQY以及第二级低噪放LNA2后作为差分驱动的一路输入，其中，第一级低噪放LNA1、第二级低噪放LNA2用于对宽带信号中的高频信号进行放大处理，均衡器EQY起衰减作用，其高频部分衰减小，对第一级低噪放LNA1、第二级低噪放LNA2高频部分增益进行补偿，从而使得高频信号的增益在整个高频信号的频率范围内保持平坦，高频路径放大后的高频信号输出到差分驱动器正端。
低频路径LF包括级联的可调低通滤波器LPF以及第一级运算放大器OPA1、第二级运算放大器OPA2，宽带信号经过可调低通滤波器LPF以及第一级运算放大器OPA1、第二级运算放大器OPA2后作为差分驱动的另一路输入，其中，可调低通滤波器LPF的带宽可调，用于调整高频路径HF、低频路径LF之间的交叠带幅频响应的平坦性，其中，第一级运算放大器OPA1为电压跟随器，其中，第一级运算放大器OPA1为电压跟随器，第二级运算放大器OPA2用于低频信号的反相放大，放大倍数同高频路径一致，为差分放大器，其输入一端与第一级运算放大器OPA1的输出端连接，输入另一端与接直流偏置调节电压，用于调节直流偏置，低频路径放大后的低频及直流信号输出到差分驱动器负端。
其中，高频路径HF、低频路径LF的放大倍数即增益需要保持一致；高低频分离的交叠带必须高于第一级低噪放LNA1、第二级低噪放LNA2的下限截止频率，且低于第一级运算放大器OPA1、第二级运算放大器OPA2的上限截止频率。
本发明直接耦合的超宽带固定增益放大模块为单端输入，经高低频分离并放大之后，通过差分驱动叠加，以差分方式输出。高频路径HF包括两级低噪放LNA1、LNA2以及均衡器EQY，其中低噪放用于对高频信号进行放大处理，均衡器能传输路径的高频损耗进行补偿。低频路径LF包括可调的低通滤波器LPF以及两级运算放大器OPA1、OPA2，其中低通滤波器带宽可调，用于调整交叠带幅频响应的平坦性，OPA1为电压跟随器，OPA2用于低频信号的放大，放大倍数同高频路径一致，以及直流偏置的调节。
本发明直接耦合的超宽带固定增益放大模块可进行超宽带固定增益放大。其带宽及固定增益大小主要由低噪放的带宽及增益决定，且两条路径的放大倍数应当保持一致，否则将引起信号的失真。本发明采用直接耦合输入，能够实现对直流信号的放大。当前市场上低噪放的带宽可以达到10kHz-20GHz，因此高低频分离的交叠带必须高于第一级低噪放LNA1、第二级低噪放LNA2的下限截止频率，且低于第一级运算放大器OPA1、第二级运算放大器OPA2的上限截止频率。而常用的运算放大器带宽通常可由直流至数百MHz，能够满足要求。
本发明中高频路径HF采用低噪放和均衡器级联的方式对信号进行放大。通常低噪放的固定增益为14dB左右，采用6dB均衡器对频率较低的信号有6dB的衰减，为获得较高的增益采用两个低噪放，因此计算得出高频路径信号增益为22dB。低频路径LF通过对第一级运算放大器OPA1、第二级运算放大器OPA2外围电路的搭建，可将其增益调整为与高频路径增益一致，因此信号的增益为22dB。
本发明中所采用的低噪放具有低漂移、低噪声的特性，而OPA也有良好的低频特性，因此整体模块具有低漂移、低噪声的特点。
具体实现及验证
在本实施例中，具体实现的电路原理示意图如图2所示。该电路实现了单端输入，差分输出的功能，放大倍数约22dB，直流输入电阻50欧姆。
其中，电阻R1、R2、R3、电感L1，电容C1及LNA1构成输入电路，后级的第一级低噪放LNA1交流输入电阻为50Ω。宽带信号经过电阻R1、电感L1到地，串联的阻抗为Z，宽带信号经过电容C1输入到第一级低噪放LNA。而R2，R3的阻值在kΩ量级，远大于50Ω可以忽略不计，对于宽带信号中的高频信号，可该支路视为开路，。可调电阻R4与C2构成低通滤波器LPF，用于调整交叠带幅频响应的平坦性，宽带增益模块等效输入电路如图3所示。
图3中，虚线部分为低噪放LNA的等效输入电路，低噪声交流等效输入电阻R的阻值为50Ω。为满足输入电阻Ri为50Ω，则需满足以下条件：
Figure SMS_1
带入Ri＝50Ω，通过计算可得出：
Figure SMS_2
即：
Z＝＝R+jR2wc (式3)
取R＝50Ω，保证低频直流输入电阻为50欧姆，取电感L1＝R2c，因此Z可表示为50Ω电阻R2与电感L1串联，阻抗Z所对应的具体电路如图3所示。这里根据实际情况，可以取C＝0.01uF，电感25uH。
由于电感的存在，对高频信号而言，可将R1，L1串联视为开路，因此C1和R构成了RC高通滤波器，其截止频率为
f＝1/2∑RC (式4)
跟据不同的实际情况，C1选取不同的值可获得不同的交叠带，改变C1的同时需要调整L1的电感值以确保输入电阻始终保持在50Ω。通过选择不同的电阻，调节R6对R5的比值及R2，R3的分压情况，可将低频路径的增益调节至与高频一致，并且通过对可调电阻R4的调节进而调整LPF的截止频率，最终可得到幅频响应最为平坦的结果，所得的仿真结果如图4所示。
从仿真结果来看，在交叠带控制在数百KHz时，整体幅频曲线较为平坦，证明了固定增益模块的可行性。
除幅频响应外，有模块进行时域分析，以10Hz方波为信号源，仿真所得波形结果如图5所示。其中，(a)为输入信号和低频路径信号的时域特性曲线，(b)为输入信号和高频路径信号的时域特性曲线，(c)为固定增益模块输入信号和高低频路径的信号叠加输出的时域特性曲线。从仿真结果来看，整体平坦性良好，证明了固定增益模块的可行性。
总结：
本发明利用已有的宽带高性能低噪放搭建了能够实现DC直接耦合的超宽带固定增益放大模块，为实现直接耦合的宽带增益放大器提供了解决方法，而且实现成本低，性价高，有助于提升国产高性能数字示波器技术水平，具有非常好的推广价值。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种直接耦合的超宽带固定增益放大模块，其特征在于，为单端输入，包括高频路径、低频路径以及差分驱动输出三个部分，需要放大的宽带信号分别经高频路径进行高频信号放大、低频路径进行低频及直流信号放大的高低频分离放大之后，通过差分驱动器叠加，以差分方式输出；
高频路径包括级联的第一级低噪放LNA1、均衡器EQY以及第二级低噪放LNA2，宽带信号经过第一级低噪放LNA1、均衡器EQY以及第二级低噪放LNA2后作为差分驱动的一路输入，其中，第一级低噪放LNA1、第二级低噪放LNA2用于对宽带信号中的高频信号进行放大处理，均衡器EQY起衰减作用，其高频部分衰减小，对第一级低噪放LNA1、第二级低噪放LNA2高频部分增益进行补偿，从而使得高频信号的增益在整个高频信号的频率范围内保持平坦，高频路径放大后的高频信号输出到差分驱动器正端；
低频路径包括级联的可调低通滤波器LPF以及第一级运算放大器OPA1、第二级运算放大器OPA2，宽带信号经过可调低通滤波器LPF以及第一级运算放大器OPA1、第二级运算放大器OPA2后作为差分驱动的另一路输入，其中，可调低通滤波器LPF的带宽可调，用于调整高频路径、低频路径之间高低频分离的交叠带幅频响应的平坦性，其中，第一级运算放大器OPA1为电压跟随器，第二级运算放大器OPA2用于低频信号的反相放大，放大倍数同高频路径一致，为差分放大器，其输入负端与第一级运算放大器OPA1的输出端连接，输入正端与接直流偏置调节电压，用于调节直流偏置，低频路径放大后的低频及直流信号输出到差分驱动器负端；
其中，高频路径、低频路径的放大倍数即增益需要保持一致；高低频分离的交叠带必须高于第一级低噪放LNA1、第二级低噪放LNA2的下限截止频率，且低于第一级运算放大器OPA1、第二级运算放大器OPA2的上限截止频率。
2.根据权利要求1所示的直接耦合的超宽带固定增益放大模块，其特征在于，还包括一输入电路，输入电路中，宽带信号经过电阻R1、电感L1到地，串联的阻抗为Z，宽带信号经过电容C1输入到第一级低噪放LNA；
电容C1选取不同的值可获得不同的交叠带，改变C1的同时需要调整电感L1的电感值以确保输入电阻始终保持在50Ω。
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