电赛论文

宽带直流放大器（C题）
摘要
本作品主要由三个模块组成：前级信号放大、功率放大电路和单片机控制与显示模块。

在前级放大电路中，利用两级可变增益放大器AD603来提高增益，再经过甲乙类功率放大电路放大功率，使输出电压有效值大于10V，输出功率超过2W，整个系统使用MSP430F149低功率耗单片机来完成增益调节、显示和数据处理，功率输出部分采用分立元件制作。

系统通频带为0HZ~ 20MHZ,最小增益为0dB,最大增益65dB，增益可连续步进调节。

一、方案论证与比较
1.可变增益放大器
方案一：简单的放大电路可以由分立原件，如三极管等，来搭建放大电路。

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。

此方案电路比较复杂，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，元件参数难能调节。

方案二：采用可编程放大器，将输入的交流信号作为高速D/A的基准电压，这时的D/A作为一个程控衰减器。

理论上讲，只要D/A的速度够快、精度够高就可以实现很宽范围的精密增益调节。

但是控制的数字量和最后的增益(dB)不成线性关系而是成指数关系，造成增益调节不均匀，精度下降，同时，这方案也增加了设计的难度。

方案三：采用压控增益放大电路，考虑直接选取可调增益的运放实现，如运放AD603。

其内部由R-2R 梯形电阻网络和固定增益放大器构成，由于AD603的电压增益是通过改变参考电压来调节，参考电压可通过单片机进行运算并控制
D/A芯片输出控制电压得来，从而实现较精确的数控。

此外AD603能提供由直流到30MHz以上的工作带宽，单级实际工作时可提供超过20dB的增益，两级级联后即可得到40dB以上的增益，输出最大电压为3V,通过后级放大器放大输出，在高频时也可提供超过60dB的增益，这完全能够达到题目的要求，有些还可以超过发挥部分的要求；同时这种方法的优点是电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化用单片机处理。

综合以上三种方案，选择方案三。

2.后级放大器
前级放大采用两级AD603构成，对峰峰值为20mV以下的信号进行放大，由于输出电压不能超过3V，不能满足题目的要求，所以前级放大电路要经过后级放大电路进一步提高电压增益与功率增益。

方案一：使用集成电路芯片。

根据题目的要示，输出电压有效值大于10V，输出负载为50欧姆，故输出电流要大于200mA,输出功率要大于2W，在电子市场很难买到输出电压大，功率较大的芯片，且这样的芯片一般成本过高。

方案二：使用分立元件搭建后级放大器。

使用分立元件设计困难，调试不易，
可是经过理论计算可以得到合适的输入输出阻抗，放大倍数等参数，电阻电容可根据需要更换。

考虑成本及性能稳定等因素，我们决定用分立元件自行搭建放大器。

二、系统设计
1.系统整体框图
根据题目的要求，结合考虑过的各种方案，我们小组认真分析、设计，充分利用模拟和数字系统各自的优点，采用单片机预置和控制放大器增益的方法，大大提高了系统的精度和可控性；后级放大器使用分立元件设计的甲乙类推挽输出放大器，提高了输出电压的功率。

利用单片机及DA控制信号得到合理的前级放大和精确的放大倍数。

图1所示既为本系统原理框图。

图1
输入信号经电压跟随器到第一级电压放大，其放大倍数由单片机通过串行
D\A 转换器调整AD603的控制电压Vg来控制放大倍数；第二级电压放大也是由单片机来控制其放大倍数，功率放大器放大电大电压信号，输出功率高。

AGC电路自动检测输出电压的有效值来补偿高频时的幅频特性；LCD1602做整个系统的显示器件。

2.主要电路原理分析
（1）直流稳压电源
本系统电源采用桥式全波整流，大电容滤波，其中电压等级为正负5V，正负15V，其芯片为可以买到的LM7815,LM7905等，典型电路如图2. 为了降低电源对后级信号的干扰，在稳压芯片的输出端串联电感，并在输出端并联去耦电容。

由于我们后级放大需要正负20V的电源，但是市面上没有正负20V的固定三端稳压器件，所以我们采用LM317T,LM337T可变输出稳压芯片，其输出电压可通过公式计算：
Vout=1.25*(1+R1/R2)+I*R1
我们可以固定R1,调节R2可以很方便调节功率放大所需要的电源。

图2
（2）两级放大
AD603为单通道、低噪声、增益变化线性连续可调的可控增益放大器。

带宽为90M时，其增益变化范围为-11dB到+30dB。

增益变化范围可分三种模式进行控制。

系统采用两级要变增益放大，第一级采用模式一：5脚与7脚之间接2.15千欧增益可变范围为0dB到+40dB；第二级采用模式二：5脚与7脚短接，增益可变范围为-11dB到+30dB；所以总的增益范围为-11dB到+70dB；能满足题目的基本要示。

AD603的简化框图如图3所示，它由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。

图3
图3中GPOS与GNEG为电压控制输入端，VINP与COMM为信号输入端，VOUT与FDBK为信号放大输出端。

由于控制电压GPOS与GNEG的输出电阻高达50兆欧，因而输入电流很小，致使片内控制电压对增益控制电压我外电路影响小，以上特点适合构成程控增益放大器。

系统中使用的AD603级联电路如图4所示。

控制电压的负端给-0.5V的偏差，由于控制电压的范围是-0.5V到+0.5V，故D/A输出端的控制电压是0V到1V。

有时由于环境的不同，外界干扰的影响，输出信号可以存在干扰，把不需要的信号给予放大，影响输出电压的幅值及频率。

故增加AGC电路。

它取出放大器输出的有效值作为AD的输入电压，经单片机处理后给DA判断输出信号是衰减还是放大。

（3）手动增益连续调节
图4
开环增益的手动控制的基本思路是由单片机数字程控，经D/A转换产生控制输出电压一站式加到图4的DA-IN端。

我们的设计使用DAC7621完成对输出控制电压的控制，由于DAC7621为双路输出，只需要一片就可以控制两路程控放大。

其原理图如图5所示。

图5
DAC7621的输出电压的范围是0V到2.5V，能满足增益放大器AD603的控制电压的范围。

（4）功率放大电路
电路如图6所示。

参考音频放大器中驱动级电路，考虑到负载电阻为600Ω，输出有效值大于6V，而AD60输出最大有效值在2V左右，故选用两级三极管进行直流耦合和发射结直流负反馈来构建末级功率放大，第一级进行电压放大，整个功放电路的电压增益在这一级，第二级进行电压合成和电流放大，将第一级输出的双端信号变成单端信号，同时提高带负载的能力，如果需要更大的驱动能力则需要在后级增加三极管跟随器，实际上加上跟随器后通频带急剧下降，原因是跟随器的结电容被等效放大，当输入信号频率很高时，输出级直流电流很大而输出信号很小。

使用2级放大已足以满足题目的要求。

选用NSC的2N3904和2N3906三极管（特征频率fT＝250～300MHz）可达到25MHz的带宽。

整个电路没有使用频率补偿，可对DC到20MHz的信号进行线性放大，在20MHz以下增益非常平稳，为稳定直流特性。

我们将反馈回路用电容串联接地，加大直流负反馈，但这会使低频
响应变差，实际上这样做只是把通频带的低频下限频率从DC提高到1kHz，但电路的稳定性提高了很多。

图6
（5）单片机系统与显示
单片机是整个放大器控制的核心部分，采用MSP430F149低功耗单片机控制增益，并配合LCD1602字符液晶显示增益。

单片机功能：
1.键盘检测模块：记录用户对键盘的操作，并设定增益数值。

2.控制电压生成模块：根据设定值，对D/A进行操作，输出精确的控制电压。

3.显示模块：按用户需要将预置增益值显示在数码上。

（6）抗干扰措施
系统总的增益为0～80dB，前级输入缓冲和增益控制部分增益最大可达
60dB，因此抗干扰措施必须要做得很好才能避免自激和减少噪声。

我们采用下述方法减少干扰，避免自激：
1.将输入部分和增益控制部分装在屏蔽盒中，避免级间干扰和高频自激；
2.电源隔离，各级供电采用电感隔离，输入级和功率输出级采用隔离供电，各部分电源通过电感隔离，输入级电源靠近屏蔽盒就近接上1000μ F 电解电容，盒内接高频瓷片电容，通过这种方法可避免低频自激；
3.所有信号耦合用电解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频增益下降；
4.构建闭路环。

在输入级，将整个运放用较粗的地线包围，可吸收高频信号减少噪声。

在增益控制部分和后级功率放大部分也都采用了此方法。

在功率级，此法
5.数模隔离。

数字部分和模拟部分之间除了电源隔离之外，还将各控制信号用电感隔离；
6.使用同轴电缆，输入级和输出级使用BNC接头，输入级和功率级之间用同
轴电缆连接。

实践证明,电路的抗干扰措施比较好，在1kHz～20MHz 的通频带范围和0 ～80dB增益范围内都没有自激。

三．测试结果及分析
1.测试条件：
测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。

2.测试结果及分析
测试结果（数据）。