宽带放大器_B题_析评

校园电子图３２００３年全国大学生电子设计竞赛Ｂ题，即宽带放大器，湖北赛区参赛队只有１３队应试，占本赛区参赛队总数的５．７％；但全国唯一的索尼杯奖却由该题参赛队获得。

本文试图从对题意的领会、典型高速宽带运放ＡＤ６０３性能介绍及典型设计方案示例三个方面作粗浅释析，意在交流、切磋并望赐教。

对题意的领会对于题目基本部分和发挥部分的要求，最好将其分类、归纳，与教学训练内容结合起来，以便把握操作。

现将宽带放大器需要满足的技术指标整理如下：１．带宽 ３ｄＢ通频带为１０ｋＨｚ～６ＭＨｚ，可以扩展。

２．增益 （１）最小值为１０ｄＢ，基本指标为４０ｄＢ，最大值≥６０ｄＢ。

（２）可步进调节，在１０～５８ｄＢ范围内，步进间隔为６ｄＢ；要求更高时，步进间隔为２ｄＢ。

（３）可预置增益值，并显示。

（４）预置增益值与实测增益值的误差要求：在步进间隔为６ｄＢ时，误差小于２ｄＢ；在步进间隔为２ｄＢ时误差小于１ｄＢ。

（５）带内增益平坦度要求：在增益为４０ｄＢ时，在２０ｋＨｚ～５ＭＨｚ范围内，增益起伏小于１ｄＢ。

（６）自动增益控制要求：在４．５Ｖ≤Ｖ０≤５．５Ｖ范围内，ＡＧＣ范围≥２０ｄＢ，即输入信号的ＶｉＨ／ＶｉＬ大于１２．２倍。

３．最大输入电压幅度（有效值） （１）基本要求≥３Ｖ；（２）扩展要求≥６．５Ｖ；（３）数字显示正弦电压有效值。

４．噪声性能 在ＡＶ＝５８ｄＢ时，输出噪声峰－峰值不大于０．５Ｖ。

５．输入阻抗≥１ｋΩ；负载电阻为６００Ω；单端输入、单端输出。

６．进一步提高各项技术指标，扩展功能。

对题意要求作了如上整理后，在作总体方案设计时，至少有三点思路易于明确：（１）器件选择必须选择宽带、低噪、增益可程控放大的器件，且这类器件必须从新型的高速宽带运算放大器中去寻找；分立元件很难奏效。

（２）硬件系统；根据最大输出电压幅度和最大增益要求，系统可分为３级、２级或１级（满足基本要求）来实现，每级的增益分配都不会太大，易于实现。

（３）增益指标这一项，内容较复杂，但主要都是依靠编程技术来完成。

对多数参赛学员来说，这个问题现在已不算太困难。

因此，在完成本题任务时，对题意的分析、整理，显得非常重要。

ＡＤ６０３运放性能介绍由上可见，完成本题的关键在于选择好宽带、低噪、增益可控制的放大器件。

从本次竞赛作品的测评中看，有的作品正是这样做了，如选择ＡＤ６０３、ＵＡ７３３等，因而取得的成绩较好。

这里侧重介绍一下高速宽带运放ＡＤ６０３的有关技术性能。

１．ＡＤ６０３的特性图１为ＡＤ６０３的引脚图，表１为其引脚功能，图２为ＡＤ６０３原理框图，图３为其最大增益与Ｒｘ之间的关系。

这些图表对了解ＡＤ６０３的电气性能非常有用。

２．电气性能（１）增益特性　①固定增益上限Ａｖ（０）　：与５、７脚之间的外接电阻Ｒｘ有关，Ｒｘ＝０（５、７脚短接），Ａｖ（０）ｍａｘ＝３０ｄＢ。

Ｒｘ＝６．４４ｋΩ，Ａｖ（０）ｍａｘ＝５０ｄＢ。

所以，固定增益的上限为（３０～５０）ｄＢ。

②增益衰减范围：由内部Ｒ－２Ｒ精密梯形网络实现，Ｒ＝１００Ω，每节衰减６ｄＢ，共有７节，总的衰减能力约４０ｄＢ。

可见运放的增益在其上限之下，有４０ｄＢ的可调范围。

③增益控制调节方法：１、２脚都是其控制电压Ｖｇ的接入端，由Ｖｇ控制内部衰减网络的无级变化，从而实现４０ｄＢ范围内任一步进间隔的增益调节；Ｖｇ是１、２脚之间的电位差，范围是［－０．５Ｖ，０．５Ｖ］，超出该范围时，Ｖｇ的作用与区间端电压相同；在Ｖｇ控制下，放大器的对数增益宽带放大器（Ｂ题）析评・全国大学生电子设计竞赛湖北专家评审组专家 郭云林・校园电子图４图５图６（以分贝表示）与Ｖｇ成线性关系（Ｖｇ的单位为Ｖ）：Ａｖ（Ｖｇ）＝４０Ｖｇ＋（Ｇｍａｘ－２０）（ｄＢ）。

例如：当Ｒｘ＝０，Ｇｍａｘ＝３０ｄＢ，Ｖｇ∈［－０．５Ｖ，０．５Ｖ］时，ＡＶ（Ｖｇ）范围为：－１０￣３０ｄＢ。

当调节范围超过４０ｄＢ时，需用级联方式解决。

另外，控制端１、２脚之间输入电阻达５０ＭΩ，对Ｖｇ接入电路不会产生影响；在内部，１、２脚与信号输入端３、４脚之间无电的联系。

因此，Ｖｇ调节增益是独立进行的。

（２）带宽 当Ｇｍａｘ＝３０ｄＢ时，ＢＷ０．７＝９０ＭＨｚ；当Ｇｍａｘ＝５０ｄＢ时，ＢＷ０．７＝９ＭＨｚ，即单位增益带宽接近３ＧＨｚ；带内增益起伏小于０．５ｄＢ；大信号电压转换速率：２７５Ｖ／μｓ。

（３）低噪声性能 １．３ｎＶ／Ｈｚ。

故即使在１００ＭＨｚ频带里，噪声峰－峰值也仅０．１３Ｖ左右。

（４）输入电阻 １００Ω。

这是由其Ｒ－２Ｒ网络决定的。

因此为提高输入阻抗，可采用宽带运放跟随器作输入级。

（５）极限参数及应用范围 表２为ＡＤ６０３极限参数及应用范围。

３．　使用注意事项（１）　输入信号必须直接接在３、４脚上，否则影响精度。

（２）　参考电压必须非常稳定。

（３）　信号输入端宜加保护电路，以防过压输入。

（４）　容易自激。

电源和地之间加去耦电容，各级电源之间加电感线圈隔离。

（５）　对容性负载敏感，易造成自激，当用同轴电缆连接输出时，宜加缓冲器隔离。

（６）　前后级易产生电磁耦合，必要时需用铜屏蔽盒隔离。

（７）级联运用时，因为Ｒｉ２＝１００Ω，为防止后级输入过流，应采取保护措施。

（８）在５脚上加接４．７μＦ电容接地，可适当提升高频分量，改善幅频特性。

由上可见，如果了解了ＡＤ６０３的有关性能，对完成本题任务中硬件系统的设计与制作，心中就大抵有了底。

典型设计方案示例１．总体设计方案根据带宽、增益调节范围（≥４８ｄＢ）、输入阻抗、噪声等项要求，系统前端电压放大部分需设一级宽带跟随器和两级ＡＤ６０３程控增益放大器；根据输出电压幅度的要求，需再加一级大信号宽带电压放大器；根据增益控制调节、自动增益控制范围、测量并显示输出电压有效值等要求，需要设置单片机小系统和有关检测电路。

于是系统总体设计方案可如图４所示。

各级增益的分配可由实验确定，末级增益在６￣２０ｄＢ之间（即２￣１０倍）即可满足题意要求。

有效值测量可有多种实现方案，但选用测量有效值的专用芯片ＡＤ６３７，则简洁方便，可满足本题要求（有关资料可自查）。

Ａ／Ｄ与Ｄ／Ａ的工作频率均不高，题目对测量精度的要求也不算高，因此，可选择８位的ＡＤＣ０８０９和ＤＡＣ０８３２。

同时，单片机的任务并不算太多，亦可采用８９Ｃ５１类的普通芯片即可。

２．前端放大电路根据上述ＡＤ６０３芯片的特点，可将前端放大器简要设计如图５所示。

前端跟随器选用ＯＰＡ６４２，其截止频率达４００ＭＨｚ，跟随线性度好；输入电压允许值与ＡＤ６０３相同。

这样，使系统输入阻抗远大于１ｋΩ的要求。

３．末级大信号放大电路为保证高频端放大器的稳定性和带内幅度的平坦度，宜采用互补推挽和深度电压串联负反馈电路形式。

典型电路如图６所示。

高频晶体管２Ｎ３９０４为ＮＰＮ型，２Ｎ３９０６为ＰＮＰ型，是配对的互补管，特征频率ｆＴ达２００ＭＨｚ，能保证系统性能要求。

由于是深度电压串联负反馈，故输入阻抗较高，输出阻抗低，适合与前端放大器和负载连接。

由图可见，本级ＡＶｆ≈１／ｋｆＶ＝１＋（Ｒ１０／Ｒ９），如Ｒ９、Ｒ１０为图中标注值，则ＡＶｆ＝１１，约合２０ｄＢ。

所有电容，均是为了电源去耦或改校园电子善频率特性的。

４．一组典型测试数据表３为频率特性测试数据，表４为步进增益误差测试数据，表５为ＡＧＣ控制测试数据。

　５．安装调试注意事项（１）设计的电路宜先作仿真，特别是频率特性与波形失真，要不出现明显误差；（２）电路板安装应尽量紧凑；（３）数字地与模拟地之间加接电感线圈，防止自激与干扰；（４）前端与末级放大器电路要分别加屏蔽盒，各接口以同轴电缆连接，同轴线外层和盒体应接地。

结束语模拟电子线路的主要知识点有三点，即放大器、振荡器和调制／解调器，而后二者也多是以放大器为基础的，所以放大器实际上是模拟电子线路最重要最基本的知识点。

而对放大器而言，最主要的反映当前新技术、新器件应用的就是运算放大器：高速宽带、增益可程控、低噪声、高输入阻抗、高共模抑制比。

本次竞赛题“宽带放大器”，可以说正是切中了这一主要知识点的诸多主要方面；同时该题还需应用Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ、单片机等数字化技术与微机技术，较好地体现了当前“模拟的系统概念加数字化的处理技术”这一个电子技术发展的总趋势；另一方面，据统计，这次竞赛题中模拟分量占较大比重的Ａ、Ｂ两题，在全国２９８０个参赛队中亦仅占６％，不到１８０个队，可见模拟电子技术的教和学（包括实践训练），都不同程度地存在偏离上述电子技术发展总趋势的现象，值得引起各方面注意。

综上所述，“宽带放大器”题目反映了出题专家组的独具匠心；全国大学生电子设计竞赛在引导和促进电子信息类专业的深化教学改革上，确实已经发挥和必将继续发挥重要的作用。

　◆本设计由三个模块电路构成：前级放大电路（带ＡＧＣ部分）、后级放大电路和单片机显示与控制模块。

在前级放大电路中，用宽带运算放大器ＡＤ６０３两级级联放大输入信号，输出放大一定倍数的电压，经过后级放大电路达到大于８Ｖ的有效值输出。

ＡＤＵＣ８１２的单片机显示、控制和数据处理模块除可以程控调节放大器的增益外，还可以实时显示输出电压有效值。

本设计采用高级压控增益器件，进行合理的级联和阻抗匹配，加入后级负反馈互补输出级，全面提高了增益带宽积和输出电压幅度。

应用单片机和数字信号处理技术对增益进行预置和控制，ＡＧＣ稳定性好，可控范围大，完成了题目 ２００３全国大学生电子设计竞赛一等奖宽带放大器（Ｂ题）・北京航空航天大学 张 展 余 涵　张安安・的所有基本和发挥要求。

方案论证与比较１．可控增益放大器部分方案一 简单的放大电路可以由三极管搭接的放大电路实现，图１为分立元件放大器电路图。

为了满足增益６０ｄＢ的要求，可以采用多级放大电路实现。

对电路输出用二极管检波产生反馈电压调节前级电路实现自动增益的调节。

本方案由于大量采用分立元件，如三极管等，电路比较复杂，工作点难于调整，尤其增益的定量调节非常困难。

此外，由于采用多级放大，电路稳定性差，容易产生自激现象。

方案二 为了易于实现最大６０ｄＢ增益的调节，可以采用Ｄ／Ａ芯片ＡＤ７５２０的电阻权网络改变反馈电压进而控制电路增益。

又考虑到ＡＤ７５２０是一种廉价型的１０位Ｄ／Ａ转换芯片，其输出Ｖｏｕｔ＝Ｄｎ×Ｖｒｅｆ／２１０，其中Ｄｎ为１０位数字量输入的二进制值，可满足２１０＝１０２４挡增益调节，满足题目的精度要求。

它由ＣＭＯＳ电流开关和梯形电阻网络构成，具有结构。