宽带直流放大器

宽带直流放大器（C题）摘要：本系统以MSP430F169为控制核心，利用可变增益放大器AD603和可编程增益放大器THS7001设计的一个宽带直流放大器。

该直流放大器的工作的增益范围为0~60dB，通频带为0~10MHz，可以实现步进为5dB的增益参数预置。

通频带内电压增益起伏在1dB以内。

系统供电模块采用LM78和LM79系列芯片配合NE5532运算放大器将输出纹波控制在5mV以内。

关键词：宽频、直流放大器、差分电路、AD603;1总体方案论证1.1总体方案选择方案一：采用多级自动增益控制电路，每一级的增益都可以由反馈控制。

该方案的优点是成本低，缺点在于系统较为复杂，系统稳定性差。

方案二：采用单片机和FPGA结合控制运算放大器的方式，利用FPGA功能强大、运算速度快的优点对电路增益信号进行闭环回路控制。

系统的速度和可靠性高，但是缺点在于方案实施成本较大。

方案三：采用MSP430F169单片机控制可编程增益运算放大器的方式。

其具有成本低、软件编程灵活、控制功能强大等特点。

但是缺点在于其运算速度没有FPGA等芯片高；比较这三个方案后，我们认为本题对单片机的控制要求没有特别高的速度，出于对成本控制和系统的稳定性的考虑，我们决定使用方案三作为系统实施的主要方案。

即使用单片机为主要控制芯片对系统的放大增益进行调节。

1.2主要模块设计选择1.2.1 前置放大模块方案一：采用宽频运算放大器构造射级跟随器。

该方案能够有效提高电路的输入阻抗，但是由于采用射级跟随器的方式，该方案不会产生电压增益，对后级电路的增益放大要求比较高。

方案二：采用斩波式运放ICL7650构造斩波式电路。

该方案能有效提高性能如温漂稳定性，但是在频率上会产生奇次谐波的干扰，且该运放带宽达不到10MHz这一要求。

方案三：采用低噪高精度运算放大器AD8027构成差分电路。

该电路采用差分放大式电路，可以有效的消除直流放大器的零点漂移等问题。

综上所述，为了满足题目要求的宽频带的参数要求，我们放弃使用方案二，而后级电路我们决定选用AD603和THS7001的方式产生的增益并不能达到60dB，所以我们采用可以产生一定增益的方案三为实施方案。

1.2.2 增益调节模块方案一：采用CMOS工艺设计实现一种对数增益线性控制型的宽带可变增益放大器。

该方案的优点是采用电压并联负反馈结构能实现良好的输入匹配和噪声性能。

缺点在于电路难实现且不易调节。

方案二：采用普通宽频带线性放大器配合电阻网络的方式达到题目要求。

该方案的优点在于可选择的宽频运算放大器很多，但是电阻网络的搭配选择上会有多种组合，电路比较复杂。

方案三：采用两级可编程增益放大器的方式达到题目要求。

其中前级放大选用AD603并用MCU控制进行微调，后级选用THS7001进行粗调。

该方案的优点是AD603和THS7001的成本比较低，电路易调节。

综合考虑实现成本和实际应用中AD603和THS7001同样可以达到参数要求的情况和出于电路简单明朗化的方案设计，我们决定采用方案三作为该增益调节模块的实现方法。

1.2.3 后级功率放大模块方案一：采用三极管功率放大器的方式作为提高负载能力，加大输出功率的功率放大模块。

该方案的特点是三极管的成本低，但是调试起来非常困难。

方案二：采用集成化运算放大器THS4011和缓冲器BUF634作为功率放大因为功率放大模块的稳定可以最大程度保证整个系统输出的稳定。

所以为了保证输出电流的稳定，有效提高负载，我们决定采用方案二作为后级功率放大模块的实现方法。

1.3总体方案示意通过以上论述，基本确定系统整体方案如图1所示图1 系统整体框图整个系统从差动前路输入，经由滤波器选择出满足频宽范围的信号，将该信号输入由单片机控制的程控滤波对其进行放大，最后输出端由功率放大器提高输出负载。

单片机的控制信号是由滤波后的信号测频后得到频率信号计算得到。

2理论分析和计算2.1带宽增益积题目要求的最大电压增益≥60dB，3dB通频带为0~10MHz，所以可知(带宽增益积)=(电压增益)×(3dB通频带)=600Mhz∙dB。

换算成倍数为10GHz。

2.2通频带内增益起伏控制本题的要求是在0~9MHz的通频带范围内的电压增益起伏控制在1dB范围内。

这里我们采用开环控制的方式对增益起伏进行控制。

具体实现方法为：用示波器测得全频带范围内最终输出的信号得到电压的增益。

然后再根据输出电压的增益变化函数设置单片机的控制信号。

相对于用电压比较然后测频得到信号的闭环控制方式来说降低了电路成本。

2.3线性相位本系统的相频特性与每一级放大器的相频特性有关。

所以要分析每级放大器的相频特性。

本系统总共用到了AD8027、AD603、THS7001这三类放大器芯片，通过查这三个芯片的芯片手册发现在0~10MHz的通频带范围内其相频特性都不是按线性特征变化的，所以本系统并不能达到线性相位的特征。

2.4抑制直流零点漂移抑制直流放大器零点漂移的方法有很多种，其中比较常见的方法是使用差分式电路抑制或使用斩波式直流放大器。

但是斩波式直流放大器会产生奇次谐波的干扰，达不到题目要求的0~10MHz的要求，所以我们这里选择使用差分式电路来抑制直流零点漂移。

其具体原理是由于管特性相同且电路对称，所以当温度升高时，两管的集电极电流将得到同样的增量，使输出尽量没有零点漂移。

同时在后级增益调节模块、功率放大模块都采取了措施抑制了零点漂移，这样使整个系统的零漂现象趋近于零。

2.5放大器稳定性一般放大器的稳定性参数大致由零点漂移、输入偏置电流温度漂移、电源抑制比、电源的抖动等因素构成。

其中零点漂移和温度漂移使用零漂温漂特性比较小的放大器件和差动输入的方式来抑制消除，电源抖动干扰通过采用大电容并联小电容接地对电源进行滤波。

以上这些措施都是为了提高放大器特性的稳定。

3电路与程序设计3.1前级放大电路 AD8027前级放大模块的作用是采用低噪宽频放大器对输入的≤10mV的小信号进行第一级放大。

电路如图2所示；图2 AD8027组成的前级放大电路其中电阻阻值的选择决定了整个放大器网络的增益倍数。

前级差分电路的放大倍数为（1+R5/R1）,后级放大倍数为R8/R7，为了弥补后级电路增益不足的问题，我们这里采用调节R1,R5,R8,R6的阻值，理论上能够达到A OV=(1+R5/R1)×(R8/R7)=6倍的增益，实际电路测量得到6倍左右的增益。

3.2 增益调节电路AD603+THS7001增益调节电路模块是本系统的核心模块之一，题目要求的系统的增益达到60dB，3dB通频带范围最大0~10MHz，所以我们这里选用AD603和THS7001级联作为增益调节电路。

两级放大器级联的结果是电压增益可以达到-33dB~51dB这个范围。

加上前级放大电路所拥有的24dB的增益，整个系统的电压增益能达到-9dB~75dB的范围，满足了题目所要求的至少0~60dB增益范围的要求。

该模块中，AD603使用-10dB~+30dB，带宽90MHz的连接方式，THS7001能达到-22dB~20dB、步进为6dB的可编程增益调节。

所以我们这里采用THS7001做为增益调节的粗调部分，AD603做为增益调节的细调部分。

电路如图3所示：图3 AD603和THS7001级联增益调节电路3.3功率放大电路 THS4011+BUF634功率放大电路采用THS4011和BUF634级联而成。

其中THS4011提供了2倍的增益进一步提高系统增益达到要求范围，BUF634输出将近500mV的驱动电流提供负载使用。

电路如图所示：图4 THS4011和BUF634级联功率放大电路3.4系统供电模块本系统采用LM78和LM79系列芯片组成电路对系统进行供电。

可以提供±5V、±12V、±15V的直流稳压输出。

为减小输出纹波，我们使用了NE5532的运算放大器来消除纹波，使纹波小于5mV，完全满足系统所需电源。

电路如图5所示：图5 直流稳压电源电路3.5 单片机控制程序流程示意图如图所示为单片机MSP430F169使用的控制程序的流程示意图。

图6 单片机控制程序流程示意图4 测试方案与测试结果4.1测试方案与测试条件本次测试采用黑盒测试法对系统进行功能性测试，观察系统是否能达到题目要求。

测试仪器使用示波器和扫频仪，示波器型号为RIGOL的DS5062MAE，扫频仪型号为AT5011。

4.2电压增益范围测试本次测试确定输入频率为500kHz。

在0~40dB的范围内我们选用20mV以下的几个档位20mV，15mV，10mV，5mV，其中的峰峰值分别为：56.8mV、44.0mV、29.6mV、15.6mV。

结果如表1所示：2mV，其峰峰值分别为：29.6mV、15.6mV、12.1mV、9.00mV。

结果如表2所示。

调制。

在40dB~60dB的增益范围内设定值与实际增益的差距在3dB以内，应采用软件方式补偿。

4.3幅频特性测试。

确定输入有效值为15mV，设定增益为25dB，用示波器观察不同频率输入下10MHz增益下降是由于10MHz是系统的3dB截止点。

4.4 系统输入输出电阻经测量得到系统的输入电阻为两个AD8027的输入阻抗的并联约为50Ω，输出电阻为50.6Ω左右。

4.5系统测试结果分析综上测试结果我们得出结论本宽带直流放大器系统的实际性能指标如下：(1) 电压增益在输入电压有效值≤10mV的时候可以达到≥60dB；(2) 当A V=60dB时，输出端噪声电压的峰峰值为0.28V<0.3V ；(3) 系统3dB通频带为0~10MHz，在0~9MHz范围内的增益起伏≤1dB；(4) 增益可以通过液晶触摸屏预置并显示，预置范围为0~60dB，可任意设置增益大小(整数设置)；(5) 放大器带宽可以预置并显示5MHz、10MHz两档。

5总结我们小组的三名成员经过四天三夜的不懈努力，终于完成了此宽带直流放大器系统，达到了题目要求的带宽和增益。

采用单片机控制AD603和THS7001预置增益。

前级使用差分放大电路抑制了直流放大器的零点漂移现象，增加了系统的稳定性。

附录1 整体电路图附图1 整体电路第一部分(至滤波器)u t p u t -1附图2 整体电路第二部分511附录2 单片机控制程序#include <MSP430X16X.h>#include "Init.h"#include "MD130_Driver.h"#include "Disp_Lib.h"#include "display.h"#include "XPT2046.h"#include "KEY.h"#include "COUNT_P.h"#include "delay.h"#include "tlv5616.h"#define G0 BIT4//读数据信号线#define G1 BIT5//写数据信号线#define G2 BIT6//数据命令选择线#define G0_HIGH P5OUT |= G0#define G0_LOW P5OUT &= ~G0#define G1_HIGH P5OUT |= G1#define G1_LOW P5OUT &= ~G1#define G2_HIGH P5OUT |= G2#define G2_LOW P5OUT &= ~G2#define CK BIT6//读数据信号线#define CK_HIGH P1OUT |= CK#define CK_LOW P1OUT &= ~CKfloat DA TE_603;float DB;int main( void ){WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; // Stop WDT P1IES|=BIT0;P1IE|=BIT0;P5DIR=0xff;_EINT();Init_CLK();LCD_Init();LCD_ClearScreen(WHITE);huanying();menu_key();while(1){if(CH_1==1){Av=wrietdata(85,124);Av=Av+30.0-24.5;}if(CH_2==1)CK_HIGH;//带宽设置，高为5M，低为10M else CK_LOW;if(Av>=60){DB=Av-20;G0_HIGH;G1_HIGH;G2_HIGH;}else if(Av>=40){DB=Av-14;G0_LOW;G1_HIGH;G2_HIGH;}else if(Av>=30){DB=Av-8;G0_HIGH;G1_LOW;G2_HIGH;}else if(Av>=20){DB=Av-2;G0_LOW;G1_LOW;G2_HIGH;}else if(Av>=10){DB=Av+10;G0_LOW;G1_HIGH;G2_LOW;}else{DB=Av+16;G0_HIGH;G1_LOW;G2_LOW;}DATE_603=DB/40;//控制AD603的增益的电压OutDAC(SlowMode,Normal,DA TE_603);//模式，形式, 电压值}}#include "delay.h"#include "type_defs.h"#include "tlv5616.h"UINT16 Code12;void Init_TLV(void){TLV_CTRL_DIR;TLV_SCLK_HIGH;TLV_DIN_HIGH;TLV_FS_LOW;TLV_CS1_HIGH;}void Sclk(void){TLV_SCLK_LOW;_NOP();_NOP();TLV_SCLK_HIGH;}void SendCode16(UINT16 code16){UINT16 sendcode;UINT16 bit,i;sendcode = code16;for(i = 0;i < 16;i ++){bit = sendcode & 0x8000;if(bit == 0x8000)TLV_DIN_HIGH;elseTLV_DIN_LOW;Sclk();sendcode = sendcode << 1;}}void Code12Com(float vol)//V,0-4.096V{UINT16 code;code = (int)(vol / V olPre);//0.001VCode12 = code;}void OutDAC(UINT16 spd,UINT16 pwr,float vol) {UINT16 code16 = 0x0000;Init_TLV();Code12Com(vol);code16 = spd + pwr + Code12;TLV_FS_HIGH;_NOP();TLV_CS1_LOW;_NOP();TLV_FS_LOW;_NOP();SendCode16(code16);TLV_FS_HIGH;_NOP();TLV_CS1_HIGH;_NOP();TLV_DIN_HIGH;TLV_FS_LOW; }。