电子竞赛题可变增益宽带电流放大

目录
1、方案论证 (3)
1.1、控制器选择 (3)
2、分析与计算 (4)
2.1 增益带宽积 (4)
2.2 通频带内增益起伏控制 (4)
2.3 线性相位 (4)
2.4 抑制直流零点漂移 (4)
2.5 放大器的稳定性 (4)
3、硬件设计
3.1 放大电路的设计 (4)
3.2 D/A 转换电路 (5)
3.3 滤波器电路 (5)
3.4 调零电路 (6)
3.5 驱动级放大电路 (6)
3.6 键盘与显示电路 (6)
4、软件设计 (6)
4.1 程序流程图 (6)
4.2 程序分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
5、测试方案与测试结果 (8)
可变增益宽带直流放大器
摘要：
本文设计了一种前置放大电路，在较宽的频率范围内具有良好的直流和交流特性。

该电路输出频率(DC-5MHz),电压增益连续可调等优点。

该设计前级放大电路由AD8056 两级串联组成，通过继电器控制实现 -20、0dB、20dB、40dB 放大。

利用乘法型 D/A 转换芯片 TLC7628 组成增益的乘法器。

高带宽的电流反馈型运放 AD811 组成的后级放大电路是本系统的驱动级，可实现 20dB 放大。

整个系统由单片机控制继电器与 D/A 转换器，当输入小信号时，具有较高的带宽并且可以实现至少 -20~40dB 连续可调与带宽预置显示的功能。

该系统简单、设计新颖，性价比高。

关键字：宽带增益连续可调预置增益
1、方案论证
1.1、控制器选择
方案一：用单片机控制 D/A 转换器来产生连续可调的电压；用 D/A 产生的电压来控制压控增益放大器实现对信号的 0～20dB 增益连续可调；再选择通过两级 20dB 增益的放大器，最终实现放大器增益在 -20～40dB 范围内连续可调。

基本框图如图 1-1 所示。

方案二：输入信号先通过两级20dB 增益的放大器，实现信号的40dB 放大；在通过模拟乘法器实现-20～40dB 的衰减；信号再通过一级20dB 增益的放大器，实现增益在-20～40dB 范围内连续可调。

基本框图如图1-2 所示
方案三：输入信号通过两级0dB 和20dB 增益可设置的放大器，可对信号实现0dB、20dB、40dB 放大；再通过D/A 转换器对信号实现0～20dB 的连续衰减；最后使信号再通过一级20dB增益的放大器，对信号实现-20～40dB 放大连续可调。

基本框图如图1-3 所示。

方案比较：以上各方案均可对信号实现-20～40dB 放大连续可调。

通过分析可知，方案一中用到的器件较多并且一些器件的价格比较贵，经济性、可操作性没有其它方案高；方案二要求模拟乘法器最大实现1000 倍的衰减，这在实际中较难实现；方案三用到的器件比较少，器件的价格也不贵，同时对器件性
能的要求也不是很苛刻。

综上所述，放大电路我们选择方案三。

二、理论分析与计算
2.1 增益带宽积
增益带宽积=增益×带宽。

本次设计发挥部分要求3dB 的通频带为
0~10MHz，当运放器件工作到了一定频率的时候会因为内部工艺或其他的分布电容等因素而造成放大倍数下降，因此我们选用高增益带宽积的运放。

AD8056、AD811 具有高增益带宽积、低噪声、低失真、低相位误差的特，AD8056 的3dB 通频带为140MHz，当增益为 5 时带宽为16MHz 左右，AD810 增益为 2 时，3dB 通频带为120MHz，完全满足题目3dB 通频带0~10MHz 的要求。

2.2 通频带内增益起伏控制
我们选用高宽带的运算放大器AD8056 与AD811，当信号频率较宽时，通常运放会在通带截止频率处有明显过冲，因此采用多级级联，从而获得良好的通带平展性。

还可以在输入端串联小电阻或在输出端接负载来控制通频带内增益的起伏。

2.3 线性相位
从系统的频率响应来看，就要求它的相频特性是一条直线。

题目要求放大器的带宽可预置并显示（至少5MHz、10MHz 两点），比较各滤波器类型可知，贝塞尔滤波器波特图中通带起伏小,阻带衰减大,在群延迟特性图中,通带内延迟平坦, 且表现出最平坦的群延迟特性(延迟小于18ns),其相频也具有良好的特性。

2.4 抑制直流零点漂移
运放偏置电流过大，电路放大倍数大，电源电压不稳，信号线过长均会造成直流零点漂移。

为了减小直流零点漂移，我们采用低偏置电流的运放
AD8056、AD811 实现固定增益的放大。

在电路中加入调零电路，使电路具有良好的直流特性。

2.5 放大器的稳定性
题目要求在较宽的频带范围内具有良好的通带平展性，在电路设计中选用低失真度、低噪声的运放以及选择低温漂的金膜电阻，尽量减小信号线的长度，对电源进行去耦设计等施以保证放大器的稳定性。

三、系统的硬件设计
3.1 放大电路的设计
该电路前端加保护电路保护运放。

有源放大采用同相输入接法，可提高输入阻抗，增大
共模抑制比。

电路如图 3.1 所示，电压放大倍数为：
Au=1+RA1/RA6=1+910/100≈10
通过单片机控制继电器实现0dB、20dB、40dB 的放大功能。

反馈电阻RA1 的选择，原则上不能太大，若阻值太大，则寄生的电感电容也会很大，会限制带宽；也不能太小，若阻值太小，容易造成幅度过冲。

为了减小电源和地线对高频信号的干扰，电路加入去耦电容
3.2 D/A 转换电路
TLC7628 为双通道8bit 数模转换器，把两个8bit 的D/A 串联成一个16bit 的D/A，其衰减精度为1/65536，再利用单片机控制，使其构成0~20dB 连续可调的衰减电路。

该衰减电路通过继电器可与三个增益同为20dB 的放大电路的不同组合可构成-20~40dB 增益连续可调的放大电路。

3.3 滤波器电路
该电路为二阶低通压控电压源型贝塞尔滤波器。

滤波器参数为：
Kp=Kf=1+(RFB3/RFB4)Kf
当运放工作在跟随状态,R1=470欧姆,3 db 带宽为5MHz 时计算可得
CFB5=79P ,RFB1=470欧姆，CFB6=43P。

同理可得，可计算通频带带宽为10MHz 时的参数。

3.4 调零电路
当电路具有直流零点时，通过调零电路进行调节。

如图 3.4
3.5 驱动级放大电路
固定增益放大器电路由电流反馈型放大器AD811 组成，电路如图3.4 所示。

电压放大倍数为10 倍。

AD8056 为低功耗电压反馈型放大器，且供电电压为5 V ±；AD811 为电流反馈型放大器，供电电压为15 V ±,本次设计前两级放大器供电电源均为 5 V ±，第三级放大器供电电源为15 V ±，提高了电源的效率。

固定增益放大器电路由电流反馈型放大器AD811 组成，电路如图3.4 所示。

Au=1+RA18/RA13=1+910/100=10。

题目要求负载电阻为50欧姆，为了提高电阻的过载能力，则50欧姆负载电阻由串并联实现。

3.6 键盘与显示电路
四、系统的软件设计
4.1 程序流程图
4.2 程序分析
程序流程图如图4-1 所示，系统上电后，程序首先对控制电路的各种参数进行初始化，使系统进入初始状态；然后对扫描键盘进行扫描，并判断有没有模式改变，若有则进入相应的功能模块。

本系统设计了四个按键。

通过按键可以设定系统功能、调节系统模式、以倍数为单位连续调节增益值、以dB 为单位连续调节增益值。

以倍数为单位连续调节增益值提高了分辨力。

五、测试方案
为了确定系统与题目要求的符合程度，我们对系统中的关键部分进行了实际的测试，具体测试方法如下：
先调整0dB，使输出信号和输入信号幅度相等，接上50的负载电阻进行整机测试测试结果如下
（1）输入阻抗。

电路设计的输入阻抗等于50，满足题目要求。

（2）最大输出电压正弦波有效值测量。

输入加100kHz正弦波，调整输入电压和增益测得不失真最大输出电压误差小于2%，达到题目要求。

（3）输出噪声电压测量。

增益调节为40dB，将输入端短路，测得输出电压峰-峰值为270 mV左右，小于题目要求的0.3V。

（4）频率特性测量。

增益设为40dB，输入端输入有效值为10mV的正弦波，测试数据见表
增益误差测量：输入端加有效值为10mV，频率为100kHz的正弦波，保持幅度稳定，默认增益值，测量输出信号来计算增益误差，测量结果见表。