2009年电竞报告_C_宽带直流放大器_全国二等奖

2009年全国大学生电子设计竞赛
设计报告
参赛题目：宽带直流放大器
题目编号：C
参赛队员：许文燕张舒徐琴
参赛单位：南京邮电大学
日期：二〇〇九年九月五日
摘要
本设计使用两片集成运放THS3001级联组成前置放大电路，并由运算放大器加分立器件三极管构成复合放大器实现末级功率放大电路，通过增益控制电路实现0~65dB范围内的增益可调，放大器带宽可在10MHz或5MHz两档之间选择。

整个系统由单片机控制，通过键盘输入实现输出状态控制、带宽选择以及增益步进控制，TFT 液晶显示器显示所设置的状态及参数。

关键词：前置放大功率放大增益控制低通滤波器
设计报告
一、系统方案论证与比较
1、宽带直流放大器设计方案
方案一：采用集成运算放大器芯片级联构成。

集成运放芯片使用简单，精度高，但是采用这种方案，放大器可实现的输出功率不够，无法满足本课题指标（本课题要求最大输出电压正弦波有效值V o≥10V），通常此类集成电路都难以直接驱动50Ω的负载。

方案二：采用分立元件，利用高频三极管或场效应管差分对构成多级放大电路，末级采用大功率器件来保证输出功率，通过负反馈电路来确定增益。

该方案可实现的放大器工作频率高、功率大，但其电路比较复杂，且零点漂移严重，难以实现直流信号的放大。

此外，由于电路采用了多级放大，其稳定性差，容易产生自激现象。

方案三：集成运放和分立元件相结合。

宽带集成运放级联构成前置放大电路，实现小信号的前置放大及增益要求；运算放大器加分立器件三极管构成功率扩展型电路实现末级功率放大。

方案选定：经三种方案比较，决定采用方案三，该方案可以将集成运算放大器高增益、低直流漂移的优点与分立元件功放输出功率大的优点相结合，达到本课题的设计要求。

2、电压增益控制设计方案
方案一：通过反馈网络控制放大器的电压增益。

这种方案电路简单，但是干扰信号会伴随输入的小信号经过前级和后级放大器放大，使输出信号的信噪比无法满足题目指标。

方案二：在末级放大电路后加精心设计的衰减网络，对输出电压进行增益控制。

只要信号和干扰比在设定的范围内，则可以实现在电压增益控制的同时保证输出信号的信噪比满足题目指标。

方案选定：本设计增益控制采用方案二。

3、系统方案
本设计方案的整体框图如图1-1所示。

采用两片THS3001（高速集成运放）级联组成前置放大电路，电压增益达到168倍；分立元件与普通集成运放构成末级功率放大电路，其电压增益为10倍（可微调）。

功放输出端级联精心设计的衰减网络以实现增益步进可调，同时为了实现题目扩展指标要求，还设计了两套低通滤波器组成的滤波网络，可以作为负载接入放大器用于控制系统的带宽。

主控模块采用C8051单片机，
通过键盘输入实现输出状态控制、带宽选择以及增益步进控制，晶显示器显示所设置的状态及参数。

图1-1系统方案框图
二、理论分析与计算
1、带宽增益积分析与计算（1）前置放大器
由手册可查得THS3001的单位增益带宽为420MHz,若考虑到放大器输出平坦度的要求（其0.1dB 平坦度带宽为115MHz ），本设计的前置放大电路的带宽增益积应当在150MHz 左右，根据公式BW A GBW im =，其增益分配如下：第一级THS3001电压增益为14倍，第二级THS3001电压增益为12倍，总共增益为168倍。

（2）功率放大器
根据功率放大器采用器件的基本特性，其增益G F v R R A −=，则增益带宽积约为450MHz ，设计电压增益为10倍，和前置放大器级联即可将输入信号放大1680倍，电压增益可达65dB 。

2、通频带内增益起伏控制与线性相位
前置放大器的通频带增益由器件本身的优异特性决定，外部无需调整。

功率放大器内部有调节频率响应的微调电容，由于本课题频率上限不是太高，一般也无需调整。

另外由于本设计实现的宽带放大器带宽很宽，而且没有时延器件，其群延时非常平坦，相位随频率的变化呈线性化。

3、抑制直流零点漂移
对于直流放大器而言，由于放大电路级间必须采用直接耦合方式，工作点的状态将逐级传递和放大，最后导致输出级产生了较大的直流电压。

另外由于温度或电源电压变化也会引起三极管的工作点变化加剧了直流零点漂移。

直接耦合放大电路的级数越多，放大倍数越大，则零漂现象越严重。

本设计采用的均是差动放大电路（无论是前置放大器还是末级功率放大器），而差动放大电路是抑制零点漂移的良好措施。

对于分立元件组成的末级放大电路还采用了PNP 和NPN 三极管互补的方法来稳定静态工作点，并抑制零点漂移。

4、放大器稳定性
在放大器电路中为了提高运算精度，在电路中加了负反馈回路，而且负反馈越深，闭环特性越好。

但是在级联运放放大电路中，当工作频率较高时，它所产生的附加相移可能会使负反馈回路的开环增益下降到1以前达到180°，使原来处于负反馈回路的放大器转变为不可控的正反馈状态，产生自激振荡，破坏放大器的正常工作。

放大器不自激，即放大器稳定的条件是：
当1)(=F j A ω时πωψ<∆)(j 或πωψ=∆)(j 时1
)(<F j A ω本设计的前置放大电路采取单级运放负反馈，保证了放大器在反馈条件下稳定运行。

末级功率放大器运用相位补偿技术，在放大电路适当位置接入0.5P 的补偿电容，调整末级主放大器的开环特性，对应πωψ±=∆)(j 时，F j A )(ω小于0dB ，有-10dB 的“幅度裕度”，破坏负反馈电路的自激条件。

三、电路与程序设计
1、前置放大电路设计（电路见附录图3-1）
使用两片集成运放THS3001级联构成，第一级采用同相输入，第二级采用反相输入，阻抗均大于100Ω。

由于该集成运放为电流反馈型放大器，故反馈电阻取小一些。

为防止运放自激，在运放电源端就近放置4.7uF 钽电解电容和0.1uF 瓷介电容到地。

2、末级功率放大电路设计（电路见附录图3-2）
由高输入阻抗运放LF356和分立元件构成反相输入复合功率放大器。

分立元件构成的放大器主要考虑高频特性，用运放LF356来改善直流特性，使两者的特性并存，整个电路为一反相放大器。

求和点的高频交流信号经过电容C4耦合至高频放大器输入端；直流及低频信号由运放LF356反相放大，送入高频放大器另一端；总的输出信号是这两类信号的合成信号。

主放大器为全对称差动电路。

整个电路的放大倍数为
100470/4721−=ΩΩ−=−=K R R A v ，各级工作点的设置重点是保证带宽，采用加大集电极电流来提高转换速度。

为了使整个放大器的直流输出电压为零，还设置了5K Ω的调零电位器RP2。

为了提高放大器的稳定性，在特定位置加了补偿电路。

用C*（0.5P ）来调整末级主放大器的开环特性。

功放对功率三极管有明确要求，结合最高输出频率和最大输出功率的基本要求，本设计选用两组NPN 和PNP 配对的晶体三极管。

一组为2N5109和2N5583，用于主信号放大；另一组为2N2219和2N2905，用于输出端电压跟随器。

3、电压增益控制（电路见附录图3-3）
在末级功率放大电路后增加一衰减器，衰减器由电阻和继电器构成，通过C8051单片机控制对信号幅度的衰减，从而实现电压增益控制，通过键盘输入，可调节电压增益步进大小。

衰减器采用标准π型网络，在满足所需要的电压衰减量的前提下，保证放大器输出阻抗为50Ω。

4、滤波器设计（电路见附录图3-4）
根据课题扩展指标要求，需满足3dB 通频带为0～5MHz 和0～10MHz 两种带宽要求。

由于本放大器带宽较宽，故设计了两组低通滤波器来满足课题要求。

本设计采用两组9阶切比雪夫低通滤波器，3dB 通频带为0～5MHz 和0～10MHz ，带内波动小于0.1dB ，可由单片机控制加以切换。

若选择旁路滤波器，则输出信号带宽大于20MHz 。

5、直流电源设计（电路见附录图3-5）
本设计采用线性直流稳压电源，输入为交流220V，输出直流电压为+19.5V、+6.25V、+5V、-19.5V、-6.25V，其中+19.5V 和-19.5V 给末级功率放大器供电，电流约150mA，+6.25V 和-6.25V 给前置放大器和衰减网络的继电器供电，电流分别为100mA 和50mA，+5V 给单片机控制板和液晶显示器供电，电流约300mA。

6、系统软件设计
软件流程图如图2-1所示。

图3-6软件流程图
四、测试方法与测试结果
1、测试条件
环境温度25℃，电源电压220V 市电（加到自制线性稳压电源上）。

2、测试仪器和附件
仪器：函数信号发生器SMC4640A 数字示波器DS1052E 扫频仪AT5011附件：同轴衰减器标准
50Ω负载
3、测试方法
采用信号发生器、示波器、交、直流电压表、扫频仪及必要的部件进行幅频特性测量。

先调整0dB，使输出信号幅度和输入信号幅度相等。

4、测试结果与分析
（1）输入阻抗测试
输入电阻约为1.6KΩ（频率小于100KHz）。

（2）输出阻抗测试
断开标准负载电阻，调整放大器的输出为20Vpp，然后接上标准50Ω负载电阻，在全频段内输出电压为10Vpp，误差小于1%，可换算出输出阻抗为（50±0.5）Ω。

（3）带宽测试
用扫频仪测量放大器的3dB带宽，分别加入5MHz低通滤波器和10MHz低通滤波器，测试结果见图4-1和图4-2，图4-1中横坐标每格为1MHz，图4-2横坐标为每格2MHz。

图4-13dB通频带0～5MHz幅频特性图4-23dB通频带0～10MHz幅频特性输入电压为峰峰值16mv，在60dB测得的通带频率特性
表4-35MHz通频带频率测试
频率(Hz)101001KHz10KHz50KHz100KHz300KHz600KHz1M 输出电压峰峰（V） 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9 4.88 4.84
频率(Hz)2 2.53 3.54 4.55 5.56输出电压峰峰（V） 4.6 4.32 4.04 3.76 3.65 3.4 3.1 2.11
表4-410MHz通频带频率测试
频率(KHz)10Hz1101005001M2M5M6M 输出电压峰峰（V）5555555 4.5 4.4频率(Hz)7899.51010.51111.512输出电压峰峰（V） 4.3 4.1 3.85 3.8 3.5 3.3 2.9 2.3 1.6数据分析：从图上可以看出，3dB通频带在低频端达到了0，高频端在20MHz 以上，3dB通频带为0~11MHz，在0～9MHz频带内增益起伏≤1dB，正弦信号输出有效值为11V，从5MHz以上增益的趋势来看最终通频带高频端应大于20MHz，比较符合后级功率放大器的理论高频截止频率25MHz。

（4）增益及最大输出电压测试
输入信号幅度16mV（峰峰值），负载电阻50Ω，将增益设置为0dB，使输出信号幅度和输入信号幅度相等，再选择增益步进方式，5dB步进直到65dB。

表4-465dB以内增益误差测试数据
预置增益(dB)0510********
输出电压峰峰（mV）8.10.5285081142250实际增益（dB）0 5.210.1215.1420.125.0930.03增益误差（dB）00.20.120.140.10.090.03
预置增益(dB)35404550556065
输出电压峰峰（V）0.440.8 1.4 2.5 4.5814.2实际增益（dB）35.140.144.9749.8754.8859.864.8增益误差（dB）0.10.1-0.03-0.13-0.12-0.2-0.2数据分析：由表中可以看出增益误差在0.2dB之内，频率较高时，随着输出电压的增大，增益有下降的趋势，这是因为后级功放管工作状态即将接近饱和，通过提高后级电源电压可以使增益更加稳定。

扩展功能中的增益步进5dB也达到了，且增益是从0～65dB可调。

根据课题指标要求输入电压有效值V i≤10mV，本设计的放大器采用6mV的输入电压有效值，高于指标要求，且增益可达65dB，高于指标要求60dB，实现了进一步降低输入电压提高放大器的电压增益这项指标。

（5）输出端噪声电压测试
将放大器输入端短路，增益设置为最大增益65dB，用示波器观察输出噪声电压峰峰值，如图所示。

数据分析：测得输出噪声电压峰峰值约为150mV，符合指标要求。

五、结论
本设计基于模拟技术，将集成运放与分立元件相结合设计宽带直流放大器，较好得完成了各项基本指标和宽展指标，最大增益可达65dB，步进可调，具有很好的抗噪性能。

附录
图3-1前置放大电路
图3-2末级功率放大电路与5dB衰减电路
图3-3衰减网络
图3-4两组5MHz和10MHz低通滤波器
图3-5直流电源电路。