周向红，张志阳，庄永河，卫青松，李倚天
中国电子科技集团第四十三研究所 安徽省 合肥市 230088
摘要：本文介绍了一种微弱信号高增益、宽带放大器，采用两个放大器级联的方式，并提出了一个调整放大器带宽的方法，在满足增益要求的情况下，提高了放大器的带宽。从电路功能、指标要求、电路原理和设计技术分析等方面进行了阐述，并进行了仿真，且实现了产品化。
关键词：微弱信号；高增益；宽带；级联；放大器；
The design of broadband and high gain amplifier
Zhou Xiang Hong，Zhang Zhi Yang，Zhuang Yong He，Wei Qin Song，Li Yi Tian
(CETC43, Anhui , Hefei, 230088)
Abstract: A broadband and high gain amplifier for weak signal is introduced in this paper. the
gain is increased and broadband requirement is satisfied by means of multiple amplifiers cascaded,
and a method of adjustiing amplifier broadband is proposed. The design is expatiated from circuit
function, index requirements, circuit principle and technic analysis. The imitation is done, and
manufacture is realized.
Key Words: weak signal；high gain；broadband；cascade；amplifier
1 引言
随着电子技术、通信技术迅速发展，宽带高增益放大器的重要作用越来越突出。宽带高增益放大器广泛应用于接收机、视频放大器等电路，系统中接收到的微弱信号，必须进行放大处理，这些电路不仅要求放大器宽带宽，还要求具有高的增益。
对于单片放大器而言，增益和带宽是非常重要的两个指标，增益带宽积（增益和带宽的乘积）是由运放的内部结构决定的，是定值，在放大倍数设定后，电路的带宽也就确定，在放大电路倍数有较大余量的情况下，可以通过降低放大倍数来拓展带宽。
主要指标要求如下：
（1）带宽(-3dB)：≥60 MHz；
（2）增益：≥58 dB；（800kHz～60MHz）
（3）输入信号：-50 dBm；
（4）噪声电平：≤50mV；
（5）带内平坦度：-1.5 dB～1.5 dB；（800kHz～60MHz）
2 设计原理概述
电路原理框图如图1所示：
图1 电路原理框图
放大器经过两级电压增益控制放大电路达到所需要的增益和带宽。两级放大电路主要由两级低噪声的压控增益放大器组成，压控增益放大器通过改变控制电压来改变增益。电路采用压控方式分别控制第一级和第二级的增益，以达到电路所要求的各项技术指标，输入输出网络主要是进行阻抗匹配的设置。
3 设计要点
3.1 压控增益放大器
压控增益放大器芯片的内部结构如图2所示，其内部包含一个7级R-2R梯形电阻网络组成的0～42.14dB可变衰减器和一个固定增益放大器，固定增益放大器的增益由外接不同的方式而改变，以满足不同增益的需求，VPOS和VNEG为电源端，VINP和COMM为信号输入端，VOUT为信号输出端，FDBK为反馈网络端，另外，可变衰减器由GPOS和GNEG的压差控制。
.png)
图2 压控增益放大器内部结构
压控增益放大器芯片的外接方式不同时，可设置三种工作模式。
模式一：将VOUT与FDBK短路，带宽为90MHz，增益范围-10dB～30dB，如图3所示。
模式二：VOUT与FDBK之间外接一个电阻，FDBK与COMM端之间接一个5.6pF的电容用于频率补偿, 根据放大器增益的计算关系式,选取合适的电阻值，可获得所需要的模式一与模式三之间的增益值 , 当电阻去2.15k 时，增益变化范围为0dB～40dB ，如图4所示
模式三：VOUT与FDBK之间开路，FDBK与COMM端之间接一个18pF的电容用于扩展频率响应，该模式为高增益模式，增益范围为10dB～50dB ，如图5所示。
图3 压控增益放大器外接模式一
图4 压控增益放大器外接模式二
.png)
图5 压控增益放大器外接模式三
整体电路增益需要58dB以上，带宽60 MHz，由两级放大电路级联，单个放大电路增益需要29 dB以上，考虑级联带来的带宽降低，单个带宽需要75MHz以上，故采用第一种外接模式。可变衰减器的控制电压，即GPOS和GNEG的压差控制在一定范围，以保证整体放大电路的增益。
3.2 FIB调阻拓展带宽的设计
因工艺或原料等原因不同批次芯片的固定增益放大器增益带宽积会有一定的差异，有时会出现整体电路带宽偏小的情况，采用模式一的外接方式时，固定增益放大器的增益由20Ω和694Ω电阻确定，如前所述，可以通过降低放大器增益来拓展带宽，此处可通过调大20Ω，但这两个电阻在芯片内部，中间没有引出端，不能进行外接调阻，可进行FIB芯片调阻。 如图6所示，20Ω电阻由5个电阻并联而成，694Ω电阻由9个电阻串联而成，可通过FIB打断5个并联电阻中的一个对20Ω电阻进行调大。
模式一原固定增益放大器的放大倍数为：
调阻后20Ω变为25Ω，放大倍数为：
对于单个芯片，增益带宽积确定的，放大倍数缩小的倍数就是带宽拓展的倍数：
.png)
图6 压控增益放大器芯片FIB调阻局部照片
FIB切割调阻的技术，即聚焦粒子束（Focused Ion Beam）技术。是将离子源（大多数FIB都用Ga，也有设备具有He和Ne离子源）产生的离子束经过离子枪加速，聚焦后作用于样品表面。通常是以物理溅射的方式搭配化学气体反应，有选择型的剥除金属，氧化硅层或沉淀金属层，以完成微、纳米级表面形貌加工。
3.3 版图布线
对于高增益，宽频带放大器来讲，版图布线及输入端的工艺结构设计是相当关键的。
电路中主信号部分的频率带宽在60MHz以上，属于中频信号，电路中接地点较多，故采用大面积地线层，各接地点就近接地。
应在尽可能靠近器件处将电源引脚旁路至附近的接地层，并使用良好的高频陶瓷芯片电容。针对电源，都应使用0.01 μF至0.1 μF的电容进行此旁路。在静态工作点，应利用10 μF以上电容在每个点到地之间提供低频旁路。信号路径应该短而直接，避免寄生效应。
3.4 输入端工艺结构设计
因输入是微弱信号，输入端需进行屏蔽防干扰，采用SMA连接器，如图7所示为外壳、SMA连接器实物图。
.png)
图7 外壳、SMA连接器实物图
SMA连接器与金属外壳在设计时要注意尺寸公差匹配控制问题，主要是SMA连接器的内簧片与外壳引脚的烧结玻璃可能会出现干涉情况，外壳玻璃绝缘子如图8所示，烧结玻璃出现了爬高现象。
外壳引针处玻璃绝缘子是通过烧结工艺实现，烧结工艺是金属外壳制造过程中最关键的工序之一，具体是通过将玻璃熔融后实现引针与金属封接，最终形成密封的金属外壳，同时引针与外壳绝缘。玻璃绝缘子爬高是金属外壳制造过程中的常见现象，其主要受玻珠的高度、玻璃的表面张力、金属表面预氧化层厚度等因素影响。目前，在外壳生产过程中，一般玻珠的高度要求高于封接厚度，这些高度差会使融化后的玻璃粘附在引线表面，形成爬高；其次，熔封的玻璃表面存在较强的表面张力，使玻璃表面形成一个曲面，也会造成玻璃爬高；另外，金属表面低价氧化物的存在，使玻璃与金属氧化之间润湿性较好，熔融的玻璃也会沿引线往上爬升。如图8所示h为爬高。
图9所示为SMA连接器尾部照片，SMA连接器底座有一直径为3.5mm的凸台，凸台高度为0.1±0.03mm，在安装时凸台面紧贴外壳侧面。
图8 外壳玻璃绝缘子示意图
.png)
图9 SMA连接器尾部照片
外壳与SMA连接器的安装图示意图如图10所示，SMA连接器簧片为中间开槽的两片对称U型结构，有弹性，在模块引针插入后，通过弹性形变实现可靠电连接；模块玻璃绝缘子为凸形面，并且玻璃绝缘子为刚性材料，不易发生形变。因此，当SMA连接器簧片与模块外壳绝缘子顶部接触后，在二者之间出现相向位移时，SMA连接器簧片可能会发生受力向外扩张形变，该形变越大，簧片与模块引针压应力越小，当簧片与引针没有压应力时，即会出现不可靠连接，致使电性能失效。
.png)
图10 外壳与SMA连接器安装时内簧片受力示意图
综上所述，为了保障外壳引针与SMA连接器簧片连接的可靠性，必须控制外壳玻璃绝缘子爬高高度（爬高按0.15mm上限控制），SMA连接器簧片端头与凸台的距离（下限值按0.2mm控制）。
4 仿真结果与测试结果
整体电路仿真图如图11所示，功能曲线满足要求。
.png)
图11 电路幅相曲线仿真图
电路的实测指标与协议指标的对比情况如表1所示满足要求。
.png)
表1 实测指标与协议指标的对比
5 结论
宽带高增益放大器，用于对微弱高频信号进行放大，采用两级放大电路级联，为系统提供了58 dB增益和60MHz带宽，本文主要对电路和工艺结构的设计要点进行了论述，对设计电路进行了分析和仿真，并给出了仿真计算和实际测量结果，为同类电路的设计提供了参考，具有一定的实用性。
参考文献
［1］范博.射频电路原理与实用电路设计.机械工业出版社.2006.
［2］童诗白.模拟电子技术基础.高等教育出版社.2001.
［3］莫怀忠.高频电子线路.化学工业出版社.2010.
第一作者简介
周向红(1979- )，男，安徽望江人，硕士研究生，控制理论与控制工程专业，现主要从事信号处理与控制电路的设计。