带宽功率放大器

2013届本科毕业设计（一号黑体居中）宽带功率放大器（二号黑体居中)院（系）名称物理与电子信息学院（小三号黑体）专业名称电子信息科学与技术（小三号黑体）学生姓名张三丰（小三号黑体）学号090524111（小三号Times New Roman）指导教师何大壮教授（小三号黑体）完成时间2013年5月8日（小三号黑体）目录摘要 (I)Abstract ............................................................................................................................. I I 绪论 (1)第1章宽带放大器的简述 (3)1.1宽带放大器的特点 (3)1.2 宽带放大器的技术指标 (3)1.2.1通频带 (3)1.2.2 增益 (3)1.2.3输入阻抗 (4)1.2.4 失真 (4)第2章方案论证与比较 (5)2.1可控增益放大器 (5)2.1.1方案一 (5)2.1.2方案二 (5)2.1.3 方案三 (5)2.2后级放大器 (6)2.2.1方案一 (6)2.2.2 方案二 (6)2.3 测量有效值部分 (6)2.3.1方案一 (6)2.3.2方案二 (6)2.3.3 方案三 (7)2.4系统总体框图 (7)第3章系统设计 (8)3.1 AGC简单介绍 (8)3.2电压增益控制原理 (8)3.3 正弦电压有效值的计算 (8)第4章主要电路原理分析 (10)4.1系统概述 (10)4.2 前级放大电路和增益控制 (10)4.3 功率放大部分 (12)4.4 单片机控制部分 (13)4.4.1控制部分的简单论述及框图 (13)4.1.2数字部分的信号隔离 (14)4.4.3 A/D转换器的简单介绍 (15)4.5 直流稳压电源 (15)第5章系统软件设计及抗干扰措施 (17)5.1系统软件流程图的分析 (17)5.2抗干扰措施 (17)第6章系统测试结果及分析 (19)6.1宽带放大器幅频特性测试框图 (19)6.2频率响应特性 (19)6.3 AGC功能测试 (20)6.4预制增益的测试 (21)6.5其它 (21)6.6测试性能总结 (21)第7章结束语及展望 (23)致谢 (24)参考文献 (25)附录1系统原理图 (26)附录2 程序 (27)摘要本作品主要有三个模块电路组成：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，用宽带可控增益运算放大器AD603两级级联放大输入信号，再经过后级放大电路达到大于8V的有效值输出。

使用89C51单片机完成显示、控制和数据处理，它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预制增益和输出有效值。

关键词：宽带，控制，放大器，宽带放大器AbstractThis design of circuit is composed by three modules: A prime amplifier (including AGC),a power amplifier, and MCU display and control module. In the preamplifier circuit, we take advantage of AD603,a wide- band Operation Amplifier, as cascaded amplifiers operate in sequential gain, and finally the signal will be amplified to 8V max RMS output by the power amplifier. The 89C51 MCU’s display and control module not only can control the gain in real-time, but also can do DSP and number display of the gain and output voltage.Key words : wide, control, amplifier, wide amplifier绪论随着社会生产力的发展，人们迫切地要求在远距离随时随地迅速而准确地传送信息。

于是，无线通信技术得到了迅猛的发展，技术也越来越成熟。

而高频放大器是上述通信系统和其它电子系统必不可少的一部分。

如在发射设备中，就要用高频功率放大器将信号放大到所需的发射功率；在接收设备中，就要高频小信号放大器将非常微弱的信号放大。

由此可知，高频放大器在通信系统中起着非常重要的作用，于是人们对它的要求也越来越高。

众所周知，放大器是音响、有线电视、无线通信等系统中必不可少的设备。

现在，让我们伴随着音响的发展来看看放大器的发展吧。

自1877年爱迪生发明留声机至今已有127年了，前70年音响发展缓慢且大多停留在象牙塔中，后50余年进入民间，发展日新月异。

自从1927年贝尔实验室发表了划时代的负反馈技术后，声频功率放大器开始进入一个崭新时代。

1947年，威廉逊（Williamson）在英国《无线电世界》发表了划时代的《高保真放大器设计》一文，介绍了一种电子管功率放大器，成功地应用了负反馈技术，其失真度仅为0.5%，音色之靓，堪称古典功放之皇。

自威廉逊的论文发表后4年，美国《Audio》杂志刊登了把超线性放大器经过适当变形后与威廉逊放大器相结合的电路。

其超线性设计，大大地降低了非线性失真。

可以认为威廉逊放大器和超线性放大器标志着负反馈技术在音频领域中的应用已经日趋成熟和广泛，为十年后脱颖而出的晶体管放大器奠定了坚实基础。

50年代末，美国在电子器件技术领域率先跨出一步，推出了时代骄子——集成电路。

到了60年代末70年代初，集成电路以其质优价廉、多功能的特点开始在音频功率放大器上广泛应用。

1977年，日立公司生产出了世界上第一只VMOS（V ertical Metal Oxide Semiconductor）功率管。

60年代，晶体管开始问世，从此揭开了现代放大器的序幕。

1970—1973年，是级间全部直耦OCL（Output Capacitor Less）方式的普及期；1974—1976年是DC（Digital Circuit）放大器全盛时期。

70年代末至今，晶体管功率放大器得到了淋漓尽致的发挥，设计形式已相当多，这一切都为集成电路功放技术设计铺平了道路。

从此来看，放大器经过了电子管、晶体管、集成电路及VMOS功率管等几个时期，它们皆以各自独特的不可取代的优势各领风骚。

本题要求设计并制作一个宽带放大器，基本要求是输入阻抗Ri≥1KΩ；单端输入，单端输出；放大器负载电阻600Ω。

3DB通频带BW=10K～6MHz,在20K～5MHz频带内增益起伏≤1dB。

最大增益≥40dB，增益调节范围10～40dB（增益值6级可调，步进间隔6dB 增益预测与实测误差绝对值≤2dB），需显示预测增益值。

最大输出电压（有效值）V o≥3V，数字显示输出正弦电压有效值。

自制放大器需要的稳压电源从上面的要求可知，本系统需要自动控制增益和显示峰峰值，不可能完全由模拟电路来实现，故我们采用模拟和数字相结合的方法来实现。

通常情况下，放大器主要由模拟电路构成，而数字部分是起了辅助的作用，帮助系统实现对增益的控制以及人机交互功能。

本系统中，前级主要由两级AD603连接，前边加OPA642作前级跟随，同时在输入端加上二极管过压保护电路，后级主要由一些分离元件组成，再加单片机控制电路。

从理论上讲，本系统满足了题目的要求。

第1章宽带放大器的简述在现实中，有时需要放大很宽的信号。

例如，在电视机接收中，由于图像信号占有的频率范围为0～6MHz，为了不失真地进行放大，要求放大器的工作频带至少为50Hz～5MHz，最好是0～6MHz。

再如就是，在300MHz的宽带示波器中，Y轴放大器需要具有0～300MHz的通频带。

放大这类信号的宽带放大器称为视频放大器。

在雷达和通信系统中，也需要传输和放大宽频带。

例如，同时传输一路电视和几百路电话信号的微波多路通信设备，放大器的通频带约为20MHz。

若设备的中频选为70MHz，则相对通频带达30％左右。

这就需要宽频带的中频放大器。

再就是，某些通信设备的高频功率放大器，需要在不调谐的情况下，在很宽的范围内变换工作频率，则需要采用宽带高频功率放大器。

1.1宽带放大器的特点虽然说，宽带放大器的下限频率很低，但由于其上限频率很高，故必须考虑晶体管的高频特性，而不能采用一般的低频等效电路分析。

宽频带放大器，从技术上讲，比一般低频放大器要求高。

这不仅因为它的频带宽，而且还由于它所放大的信号，最终接受的感觉器官往往是眼睛，而不是耳朵。

前者比后者敏感很多。

所以，在低频放大器中未考虑的一些问题，例如相位失真，在宽带放大器中就必须予以考虑。

不同用途的宽带放大器，其电路形式是有所不同的。

大体上可分为两种情况。

放大从零频到高频信号的宽带放大器，一般采用直接耦合的直流放大器；放大从低频到高频信号的宽带放大器，采用阻容耦合放大器。

但不管哪类宽带放大器，由于频带宽，负载总是非调谐的。

1.2 宽带放大器的技术指标1.2.1通频带通频带是宽带放大器的基本指标。

由于用途不同，对频带的要求也不同。

因为下限频率低，而上限频率很高，往往就用上限频率表示通频带宽度。

但是，下限频率接近零频的放大器，又必须注明它的下限频率，以便在设计电路时，能够充分考虑下限频率的顺利通过。

1.2.2 增益宽带放大器的增益应足够高。

若一级放大器不够，可增加级数满足总增益的要求，但与此同时通频带会降低。

所以增益与宽带的要求往往是相互矛盾的。

以后将看到，有时不得不牺牲增益来换取通频带的带宽。

为了全面衡量放大器的质量指标，常需要考虑放大器的增益带宽积,带宽积越大，宽带放大器的质量越高。

1.2.3输入阻抗为了减轻宽带放大器对前级的影响，要求放大器的输入阻抗高。

质量高的宽带放大器的输入阻抗一般为兆欧级。

1.2.4 失真宽带放大器的失真要小。

也就是说它必须忠实地传输被放大的信号。

要求输出信号与输入信号在形状上，以及各部分的比例上都要保持一致。

只有放大器的非线性失真、频率失真和相位失真都足够小，才能保持输出与输入的波形保持一致。

非线性失真的原因主要是由于电路中存在非线性元件，为了减小非线性失真，宽带放大器和音频放大器一样，都应该工作在器件特性曲线的直线段，而且应工作在甲类状态；频率失真的原因是由于晶体管在高频时的电容效应，以及外电路中存在一些电抗元件。

由于有了这些阻抗元件，使得宽带放大器对于不同频率的信号的增益不同，从而引起频率失真；而相位失真是由于输入输出之间相位移动引起的。