宽带直流放大器(1)

12009全国大学生电子设计竞赛陕西赛区竞赛设计报告参赛题目:宽带直流放大器（C题）参赛学院:渭南师范学院参赛学生:指导教师:2摘要本设计利用可变增益宽带放大器AD8330来提高增益和扩大AGC控制范围，通过软件补偿减小增益调节的步进间隔和提高准确度。输入部分采用高速电压反馈型运放OPA642作跟随器提高输入阻抗，并且在不影响性能的条件下给输入部分加了保护电路。使用了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激。功率输出部分采用分立元件制作。整个系统通频带为1kHz～20MHz，最小增益0dB，最大增益80dB。增益步进1dB，60dB以下预置增益与实际增益误差小于0.2dB。不失真输出电压有效值达9.5V，输出4.5～5.5V时AGC控制范围为66dB。关键词AD8330、OPA642、通频带、31、系统设计1.1设计要求1.1.1任务设计并制作一个宽带直流放大器及所用的直流稳压电源。1.1.2要求1．基本要求（1）电压增益AV≥40dB，输入电压有效值Vi≤20mV。AV可在0～40dB范围内手动连续调节。（2）最大输出电压正弦波有效值Vo≥2V，输出信号波形无明显失真。（3）3dB通频带0～5MHz；在0～4MHz通频带内增益起伏≤1dB。（4）放大器的输入电阻≥50，负载电阻（50±2）。（5）设计并制作满足放大器要求所用的直流稳压电源。2．发挥部分（1）最大电压增益AV≥60dB，输入电压有效值Vi≤10mV。（2）在AV＝60dB时，输出端噪声电压的峰－峰值VONPP≤0.3V。（3）3dB通频带0～10MHz；在0～9MHz通频带内增益起伏≤1dB。（4）最大输出电压正弦波有效值Vo≥10V，输出信号波形无明显失真。（5）进一步降低输入电压提高放大器的电压增益。（6）电压增益AV可预置并显示，预置范围为0～60dB，步距为5dB（也可以连续调节）；放大器的带宽可预置并显示（至少5MHz、10MHz两点）。（7）降低放大器的制作成本，提高电源效率。（8）其他（例如改善放大器性能的其它措施等）。1.1.3说明1．宽带直流放大器幅频特性示意图如图1所示。4图1幅频特性示意图2．负载电阻应预留测试用检测口和明显标志，如不符合（50±2）的电阻值要求，则酌情扣除最大输出电压有效值项的所得分数。3．放大器要留有必要的测试点。建议的测试框图如图2所示，可采用信号发生器与示波器/交、直流电压表组合的静态法或扫频仪进行幅频特性测量。图2幅频特性测试框图51.2总体设计方案1.2.1设计思路本课题的重点和难点是对带宽、增益、抗干扰等指标的综合实现，我们选用了性能优越的新型元器件和多级电路来实现。但是，为了保证10MHz的带宽和60dB以上的高增益，微弱的噪声和干扰都会造成电路不稳定。电路的级数采用3级，输入级、中间级（增益级）、输出级；同时应采取相应措施抑制干扰和噪声，以达到较高的信噪比。输入/输出电压幅值、增益、频带、输入/输出特性、电源和显示部分要想达到要求：在信号输入级增加一级缓冲，可以增大放大器的输入阻抗；在末级增加一级功率放大，可提高输出电压的幅值，增加带负载能力；利用单片机、DAC和ADC可以方便地实现测量和显示。基于以上分析，对系统的结构已经有了一个大致的了解，现归纳如下：①放大器部分应尽量选用高速、宽带、低噪、增益可控放大的元器件，应避免选用噪声过大的分立元器件；②系统可分为多级（2～3级），每级的增益分配都不宜太大；③利用单片机控制增益和显示。系统组成框图可以采用图所示的形式。1.2.2方案论证1.增益控制部分方案一原理框图如图1所示，场效应管工作在可变电阻区，输出信号取自电阻与场效应管与对V’的分压。采用场效应管作AGC控制可以达到很高的频率和很低的噪声，但温度、电源等的漂移将会引起分压比的变化，用这种方案很难实现增益的精确控制和长时间稳定。方案二采用可编程放大器的思想，将输入的交流信号作为高速D/A的基准电压，这时的D/A作为一个程控衰减器。理论上讲，只要D/A的速度够快、精度够高6就可以实现很宽范围的精密增益调节。但是控制的数字量和最后的增益(dB)不成线性关系而是成指数关系，造成增益调节不均匀，精度下降。方案三使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA，用控制电压和增益（dB）成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制（如图2）。用电压控制增益，便于单片机控制，同时可以减少噪声和干扰。综上所述，选用方案三，采用集成可变增益放大器AD8330作增益控制。AD8330是一款低噪声、低功耗、高宽带、增益可调整范围大的放大器，因此可以很方便地使用D/A输出电压控制放大器的增益。2.功率输出部分根据赛题要求，放大器通频带从0kHz到10MHz，单纯用音频或射频放大的方法来完成功率输出，要做到大于10V有效值输出难度较大，而用高电压输出的运放来做又很不现实，因为市面上很难买到宽带功率运放。这时候采用分立元件就能显示出优势来了。3.电压增益的显示部分方案一利用高速ADC同时对输入/输出电压进行采样，将一周期内的数据输入单片机并计算其均方根值，即可得出电压有效值，进而获得电压增益：此方案具有抗干扰能力强、设计灵活、精度高等优点，但调试困难，高频时采样难且计算量大，增加了软件难度。方案二对信号进行精密整流并积分，得到正弦电压的平均值，再进行ADC采样，利用平均值和有效值之间的简单换算关系，计算出有效值、增益并显示。只用了简单的整流滤波电路和单片机就可以完成交流信号有效值的测量。但此方法对非正弦波的测量会引起较大的误差。方案三采用单片机，在产生增益控制电压的同时，换算为对应的电压增益，并通过对液晶显示器的控制实现显示。综上所述，我们采用方案三，单片机芯片选用MCS51，该方案硬件、软件简单，精度也很高。4、电压增益的预置方案一通过分压电路产生不同的电压，来控制增益电压，以达到控制电压增益的目的。7方案二通过数字电位器产生不同的电压，来控制增益电压，以达到控制电压增益的目的方案三通过键盘预置不同的数据给单片机，在经过单片机产生相应电压的数字信号，最后通过DAC获得电压增益对应的控制电压，即实现了电压增益的预置。综上所述，我们采用方案三，该方案硬件、软件简单，精度也很高。2单元硬件电路设计2.1输入缓冲和增益控制部分图5为输入缓冲和增益控制电路，由于AD603的输入电阻只有100Ω，要满足输入电阻大于2.4kΩ的要求，必须加入输入缓冲部分用以提高输入阻抗；另外前级电路对整个电路的噪声影响非常大，必须尽量减少噪声。故采用高速低噪声电压反馈型运放OPA642作前级跟随，同时在输入端加上二极管过压保护。输入部分先用电阻分压衰减，再由低噪声高速运放OPA642放大，整体上还是一个跟随器，二极管可以保护输入到OPA642的电压峰峰值不超过其极限（2V）。其输入阻抗大于2.4kΩ。OPA642的增益带宽积为400MHz，这里放大3.4倍，100MHz以上的信号被衰减。输入输出端口P1、P2由同轴电缆连接，以防自激。级间耦合采用电解电容并联高频瓷片电容的方法，兼顾高频和低频信号。增益控制部分装在屏蔽盒中，盒内采用多点接地和就近接地的方法避免自激，部分电容电阻采用贴片封装，使得输入级连线尽可能短。该部分采用AD603典型接法中通频带最宽的一种，通频带为90MHz，增益为－10～+30dB，输入控制电压U的范围为－0.5～＋0.5V。图6为AD603接成90MHz带宽的典型方法。增益和控制电压的关系为：AG(dB)=40×U+10，一级的控制范围只有40dB，使用两级串联，增益为AG(dB)=40×U1+40×U2+20，增益范围是－20～+60dB，满足题目要求。由于两级放大电路幅频响应曲线相同，所以当两级AD603串联后，带宽会有所下降，串联前各级带宽为90MHz左右，两级放大电路串联后总的3dB带宽对应着单级放大电路1.5dB带宽，根据幅频响应曲线可得出级联后的总带宽为60MHz。82.2功率放大部分电路如图7所示。参考音频放大器中驱动级电路，考虑到负载电阻为600Ω，输出有效值大于6V，而AD603输出最大有效值在2V左右，故选用两级三极管进行直流耦合和发射结直流负反馈来构建末级功率放大，第一级进行电压放大，整个功放电路的电压增益在这一级，第二级进行电压合成和电流放大，将第一级输出的双端信号变成单端信号，同时提高带负载的能力，如果需要更大的驱动能力则需要在后级增加三极管跟随器，实际上加上跟随器后通频带急剧下降，原因是跟随器的结电容被等效放大，当输入信号频率很高时，输出级直流电流很大而输出信号很小。使用2级放大已足以满足题目的要求。选用NSC的2N3904和2N3906三极管（特征频率fT＝250MHz～300MHz）可达到25MHz的带宽。整个电路没有使用频率补偿，可对DC到20MHz的信号进行线性放大，在20MHz以下增益非常平稳，为稳定直流特性。我们将反馈回路用电容串联接地，加大直流负反馈，但这会使低频响应变差，实际上这样做只是把通频带的低频下限频率从DC提高到1kHz，但电路的稳定性提高了很多。本电路放大倍数为：AG≈1＋R10/R9，整个功放电路电压放大约10倍。通过调节R10来调节增益，根据电源电压调节R7可调节工作点。2.3控制部分这一部分由51系列单片机、D/A和液晶显示器组成。使用12位串行A/D芯片ADS7816和ADS7841（便于同时测量真有效值和峰值）和12位串行双D/A芯片TLV5618。基准源采用带隙基准电压源MC1403。框图如图8所示。2.4稳压电源部分电源部分电路见图9，输出±5V、±15V电压供给整个系统。数字部分和模拟部分通过电感隔离。2.5抗干扰措施系统总的增益为0～80dB，前级输入缓冲和增益控制部分增益最大可达60dB，因此抗干扰措施必须要做得很好才能避免自激和减少噪声。我们采用下述方法减少干扰，避免自激：9（1）将输入部分和增益控制部分装在屏蔽盒中，避免级间干扰和高频自激；（2）电源隔离，各级供电采用电感隔离，输入级和功率输出级采用隔离供电，各部分电源通过电感隔离，输入级电源靠近屏蔽盒就近接上1000μF电解电容，盒内接高频瓷片电容，通过这种方法可避免低频自激；（3）所有信号耦合用电解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频增益下降；（4）构建闭路环。在输入级，将整个运放用较粗的地线包围，可吸收高频信号减少噪声。在增益控制部分和后级功率放大部分也都采用了此方法。在功率级，此法可以有效地避免高频辐射；（5）数模隔离。数字部分和模拟部分之间除了电源隔离之外，还将各控制信号用电感隔离；（6）使用同轴电缆，输入级和输出级使用BNC接头，输入级和功率级之间用同轴电缆连接。实践证明,电路的抗干扰措施比较好，在1kHz～20MHz的通频带范围和0～80dB增益范围内都没有自激。本系统单片机控制部分采用反馈控制方式，通过输出电压采样来控制电压增益。由于AD603的设定增益跟实际增益有误差，故软件上还进行了校正，图10为3软件设计3.1软件设计与硬件设计的关键本系统单片机控制部分采用反馈控制，通过该输出电压采样来控制电压增益。由于AD603的设定增益跟实际增益有误差，故软件上还进行了校正。3.2软件设计4系统测试4.1测试使用的仪器将各部分电路连接起来，先调整0dB，使输出信号幅度和输入信号幅度相等，10然后接上600Ω的负载电阻进行整机测试。4.2指标测试和测试结果1.指标的测试（1）输入阻抗电路的设计保证输入阻抗大于2.4KΩ，满足题目要求。（2）输出电压有效值测量在输入端叫100KHz正弦波，调节电压和增益，测得不失真最大输出电压有效值为9.3～9.5V，达到大于2V的要求。（3）输出噪声电压测量将增益调到58dB、将输入端短路时输出电压峰-峰值为300mV左右。满足输出噪声电压小于0.5V的要求。（4）频率特性测量增益设为40dB档，输入端加10mV正弦波，由于信号源不能保证不同频段的10mV正弦波幅度稳定，因此，每次测量前先调节信号源使得输入信号保持在10mV左右，在测量输出信号。测