宽带直流放大器实验报告

宽带直流放大器
摘要：本项目制作了一个宽带直流放大器。

宽带直流放大器主要由输入缓冲级、程控增益放大器、调零电路、功率放大四部分构成。

输入缓冲级采用THS4001高宽带运放对输入高频小信号放大输出给下一级，输入电阻50Ω与信号源进行阻抗匹配；程控增益放大器由AD603构成(-10dB~30dB)增益的高频放大电路，同时由80C51f0202的单片机为核心主控放大器的增益调节；然后再经THS3091对放大信号进行功率放大，使得输出电压达到10V有效值以上的电压，驱动50Ω的负载电阻。

本项目设计的放大器可以达到5MHz以内电压1dB波动，10MHz 以内3dB的衰减；纹波电压（V pp）0.2V；最大不失真输入电压（V pp）59mV；最大不失真输出电压（V pp）5.6V；增益可控范围0~32dB，步进1dB。

关键字：高频；放大器；程控增益；单片机；
1、设计任务与实验要求
1.1 设计任务
设计并制作一个宽带直流放大器
1.2 基本要求
（1）电压增益A V≥40dB，输入电压有效值V i≤20mV。

A V可在0～40dB范围内手动连续调节。

（2）最大输出电压正弦波有效值V o≥2V，输出信号波形无明显失真。

（3）3dB通频带0～5MHz；在0～4MHz通频带内增益起伏≤1dB。

（4）放大器的输入电阻≥50Ω，负载电阻（50±2）Ω。

1.3发挥部分
（1）最大电压增益A V≥60dB，输入电压有效值V i≤10 mV。

（2）在A V＝60dB时，输出端噪声电压的峰－峰值V ONPP≤0.3V。

（3）3dB通频带0～10MHz；在0～9MHz通频带内增益起伏≤1dB。

（4）最大输出电压正弦波有效值V o≥10V，输出信号波形无明显失真。

（5）进一步降低输入电压提高放大器的电压增益。

（6）电压增益A V可预置并显示，预置范围为0～60dB，步距为5dB（也可
以连续调节）；放大器的带宽可预置并显示（至少5MHz、10MHz 两点）。

（7）其他（例如改善放大器性能的其它措施等）。

2、方案论证与选取
2.1 程控增益放大器的论证与比较
方案一：采用场效应管或三极管控制增益。

主要利用场效应管的可变电阻区（或三极管等效为压控电阻）实现增益控制，本方案由于采用大量分立元件，电路复杂，稳定性差。

方案二：采用芯片AD603实现增益控制。

主要由GPOS ，GNEG的电压差值来控制AD603的增益大小，用单片机输出电压直接给定稳定的电压控制电路的增益大小。

其特点是以dB为单位进行调节，可调增益40dB，可以用单片机方便地预置增益，并显示增益大小。

综上所述：方案二条理较清晰、控制方便、易于数字化用单片机处理，鉴于实验要求，选取方案二。

2.2 功率输出电路的论证与比较
方案一：采用分立元件三极管构成功率放大电路。

对于高宽带的信号，对分立元件要求比较要高，要使用高频带的三极管。

而电路器件比较多，复杂，调试很麻烦。

方案二：采用THS3091集成芯片构成功率放大电路。

3091的放大信号频率可到210MHz，输出电流可达250mA，单级运放即可驱动50Ω的电阻，并且集成运放构成的电路性能比较好，易于调试。

综上所述：方案二的方法更能够达到实验的要求，并且容易操作，故采用方案二。

3、系统总体设计
本项目硬件电路主要由输入缓冲级电路，程控增益放大电路、输出功率放大电路构成，由单片机系统主控来调节放大电路的增益大小，同时显示出0～40dB 以内的步进值。

系统总体框图如下图1所示：
信号源前级缓冲电路AD603调节增益后级功率放大C8051F020单片机按键数码管显示
示波器显示波形
图1 系统设计框图
4、单元电路设计
4.1 输入缓冲级
输入缓冲级主要是对信号源的小信号进行信号放大从而达到下一级输入信号的范围，使得输入信号更稳定，电路的整体性能更好。

函数信号发生器有一定的输出阻抗，由于项目要求输入阻抗50Ω，因此对于小信号有一定的损失，要通过输入缓冲电路进行阻抗匹配。

鉴于信号频带要求达到0～10MHz 的通带，因此对于前级放大电路采用高频高速运放THS4001型号的集成运放，频带可达270MHZ ，能够满足项目的制作要求。

如下图2为输入缓冲级电路：
图2 前级缓冲电路图
4001型号的集成运放是电压反馈型的运放，因此采用它构成反相输入的电压并联负反馈电路。

输入电阻为R=50Ω。

阻值的选取均由芯片的使用手册获得，电源电压采用±5V 的电压。

放大倍数：
09.42
3
==
R R A u （1） dB A Gain u 24.12log 20==
（2）
4.2 程控增益放大器
程控增益放大器是指一个通过单片机提供可变电压控制的一个单元单路。

采用AD603为核心构成放大器，由芯片的使用手册可知，引脚VOUT与引脚FDBK 相连，COMM引脚接地，即可构成一个-10dB～40dB增益可调、频带90MHz的放大器。

电路相对简单，电路图如下图3所示：
图3 程控增益电路图
单片机通过对GPOS ，GNEG提供电压值控制电路的增益调节，两个引脚的电压差值可使得芯片的增益从-10dB调节到40dB。

V G
40+
=（3）
G a i n(d B)10
10
Gain30
=（4）
dB
-
~
说明：为芯片提供±5V的电源电压。

4.3 功率放大电路
对高频小信号放大之后，并不能满足实际的需要，若要驱动外电路或负载的运行，还需进行功率放大。

将信号的功率和电流放大，驱动50Ω的负载。

功率放大电路采用THS3091信号的高速运放，频带可达210MHz。

3091为电流反馈型放大器，将信号的电流放大，即放大信号的功率，单级即可驱动50Ω的负载电阻。

电路如图4所示：
图4 功率放大电路图
放大倍数：
22.91
2
==
R R A u （5） dB A Gain u 30.19log 20==
（6）
说明：经3091放大的电压为10以上的有效值，因此采用±15V 的电源电压。

4.4 整体电路图
将各级单元电路直接级联起来，即构成整体的电路图。

如下图5所示： 由式子（2）、（4）、（6）得：
系统总体增益：
dB dB Gain 87.59~87.19=
(7)
5、数据处理与分析
6、仪器与元器件的使用
7、总结
本项目设计的宽带直流放大器基本达到了实验要求。

电路整体设计由输入缓冲级电路、程控增益放大器、功率放大电路构成。