宽带放大器(王正齐)

宽带放大器作者：王正齐陈华奇邓如岑（华中科技大学）编号：1-16赛前辅导老师：尹仕文稿整理辅导老师：肖看本设计利用可变增益宽带放大器AD603来提高增益和扩大AGC控制范围，通过软件补偿减小增益调节的步进间隔和提高准确度。

输入部分采用高速电压反馈型运放OPA642作跟随器提高输入阻抗，并且在不影响性能的条件下给输入部分加了保护电路。

使用了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激。

功率输出部分采用分立元件制作。

整个系统通频带为1kHz～20MHz，最小增益0dB，最大增益80dB。

增益步进1dB，60dB以下预置增益与实际增益误差小于0.2dB。

不失真输出电压有效值达9.5V，输出4.5V-5.5V时AGC控制范围为66dB。

方案论证与比较1 增益控制部分方案一：原理框图如图1所示，场效应管工作在可变电阻区，输出信号取自电阻与场效应管与对'V的分压。

采用场效应管作AGC控制可以达到很高的频率和很低的噪声，但温度、电源等的漂移将会引起分压比的变化,用这种方案很难实现增益的精确控制和长时间稳定。

方案二：采用可编程放大器的思想，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。

2所示，使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器图1 方案一示意图PGA ，用控制电压和增益（dB ）成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制。

用电压控制增益，便于单片机控制，同时可以减少噪声和干扰。

综上所述，选用方案三，采用集成可变增益放大器AD603作增益控制。

AD603是一款低噪声、精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高，最大增益误差为0.5dB ，满足题目要求的精度，其增益（dB ）与控制电压（V ）成线性关系，因此可以很方便地使用D/A 输出电压控制放大器的增益。

2 功率输出部分根据赛题要求，放大器通频带从10kHz 到6MHz ，单纯的用音频或射频放大的方法来完成功率输出，要做到6V 有效值输出难度较大，而用高电压输出的运放来做又很不现实，因为市面上很难买到宽带功率运放。

这时候采用分立元件就能显示出优势来了。

3 测量有效值部分方案一：利用高速ADC 对电压进行采样，将一周期内的数据输入单片机并计算其均方根值，即可得出电压有效值：∑==ni iUNU 121此方案具有抗干扰能力强、设计灵活、精度高等优点，但调试困难，高频时采样困难而且计算量大，增加了软件难度。

方案二：对信号进行精密整流并积分，得到正弦电压的平均值，再进行ADC 采样，利用平均值和有效值之间的简单换算关系，计算出有效值显示。

只用了简单的整流滤波电路和单片机就可以完成交流信号有效值的测量。

但此方法对非正弦波的测量会引起较大的误差。

方案三：采用集成真有效值变换芯片，直接输出被测信号的真有效值。

这图2 方案三示意图输入缓冲样可以实现对任意波形的有效值测量。

综上所述，我们采用方案三，变换芯片选用AD637。

AD637是真有效值变换芯片，它可测量的信号有效值可高达7V ，精度优于0.5％，且外围元件少，频带宽，对于一个有效值为1V 的信号，它的3dB 带宽为8MHz,并且可以对输入信号的电平以dB 形式指示，该方案硬件、软件简单，精度也很高，但不适用于高于8MHz 的信号。

此方案硬件易实现，并且8MHz 以下时候测得的有效值的精度可以保证，在题目要求的通频带10kHz ～6MHz 内精度较高。

8MHz 以上输出信号可采用高频峰值检测的方法来测量，但是由于时间关系，高于8MHz 的信号我们未能测量显示。

4 自动增益控制（AGC ）利用单片机根据输出信号幅度调节增益。

输出信号检波后经过简单2级RC 滤波后由单片机采样，截止频率为100Hz 。

由于放大器通频带低端在1kHz ，当工 作频率为1kHz 时，为保证在增益变化时输出波形失真较小，将AGC 响应时间设定为10ms ，用单片机定时器0来产生10ms 中断进行输出有效值采样，增益控制电压也经过滤波后加在可变增益放大器上。

AGC 控制范围理论上可达0～80dB ，实际上由于输入端加了保护电路，在不同输出电压时AGC 范围不一样，输出在4.5～5.5V 时AGC 范围约为70dB ，而当输出为2V ～2.5V 时AGC 范围可达80dB 。

5 系统整体框图理论分析与参数计算1 电压控制增益的原理AD603的基本增益可以用下式算出：Gain (dB) = 40 V G + 10屏蔽盒功放电路隔离其中，V G 是差分输入电压,单位是V ，Gain 是AD603的基本增益,单位是dB 。

从此式可以看出，以dB 作单位的对数增益和电压之间是线性的关系。

由此可以得出，只要单片机进行简单的线性计算就可以控制对数增益，增益步进可以很准确的实现。

但若要用放大倍数来表示增益的话，则需将放大倍数经过复杂的对数运算转化为以db 为单位后再去控制AD603的增益，这样在计算过程中就引入了较大的运算误差。

2 AGC 介绍AGC 是自动增益控制电路的简称，常用在收音机、电视机、录像机的信号接收和电平处理电路中。

它的作用是当信号较强时，使其增益自动降低；当信号较弱时，又使其增益自动增高，从而保证输出信号基本稳定。

3 正弦电压有效值的计算 AD637的内部结构如图4所示：根据AD637芯片手册所给出的计算真有效值的经验公式为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡=rms IN rmsV V V 2 其中：IN V 为输入电压，rms V 为输出电压有效值。

系统各模块电路的设计1 输入缓冲和增益控制部分图4 AD637的内部结构图图5 输入缓冲和增益控制电路由于AD603的输入电阻只有100Ω，要满足输入电阻大于2.4kΩ的要求，必须加入输入缓冲部分用以提高输入阻抗；另外前级电路对整个电路的噪声影响非常大，必须尽量减少噪声。

故采用高速低噪声电压反馈型运放OPA642作前级跟随，同时在输入端加上二极管过压保护。

如图5所示，输入部分先用电阻分压衰减，再由低噪声高速运放OPA642放大，整体上还是一个跟随器，二极管可以保护输入到OPA642的电压峰峰值的不超过其极限（2V）。

其输入阻抗大于2.4kΩ。

OPA642的增益带宽积为400MHz，这里放大3.4倍，100MHz以上的信号被衰减。

输入输出端口P1，P2由同轴电缆连接，以防自激。

级间耦合采用电解电容并联高频瓷片电容的方法，兼顾高频和低频信号。

增益控制部分装在屏蔽盒中，盒内采用多点接地和就近接地的方法避免自激，部分电容电阻采用贴片封装，使得输入级连线尽可能短。

该部分采用AD603典型接法中通频带最宽的一种，如图6所示，通频带为90MHz，增益为－10～+30dB，输入控制电压U的范围为－0.5～＋0.5V。

图6 AD603接成90MHz带宽的典型方法增益和控制电压的关系为1040)(+⨯=U AG dB一级的控制范围只有40dB ，使用两级串联，增益为20240140)(+⨯+⨯=U U AG dB增益范围是－20dB ～+60dB ，满足题目要求。

由于两级放大电路幅频响应曲线相同，所以当两级AD603串联后，带宽会有所下降，串联前各级带宽为90MHz 左右，两级放大电路串联后总的3db 带宽对应着单级放大电路 1.5db 带宽，根据幅频响应曲线可得出级联后的总带宽为60M.。

2 功率放大部分电路如图7。

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AD603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T f ＝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。

本电路放大倍数为：AG ≈1＋R10/R9整个功放电路电压放大约10倍。

通过调节R10来调节增益，根据电源电压调节R7可调节工作点。

3 控制部分这一部分由51系列单片机、A/D 、D/A 和基准源组成，如图8所示。

使用12位串行A/D 芯片ADS7816和ADS7841（便于同时测量真有效值和峰值）和12位串行双D/A 芯片TLV5618。

基准源采用带隙基准电压源MC1403。

4 稳压电源部分图7 功率放大电路图8 数字部分框图 图9 电源部分电源部分输出±5V, ±15V电压供给整个系统。

数字部分和模拟部分通过电感隔离。

电路原理如图9所示。

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1000uF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，这种方法可以有效的避免高频辐射。

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。

系统软件设计及流程图本系统单片机控制部分采用反馈控制方式，通过输出电压采样来控制电压增益。

由于AD603的设定增益跟实际增益有误差，故软件上还进行了校正，软件流程如图10所示：图10 软件流程图系统调试和测试结果1 测试方法0dB，使输出信号幅度和输入信号幅度相等。