宽带直流放大器

宽带直流放大器（C题）

摘要

本系统实现了一个宽带直流放大器。首先将输入信号通过4级AD8039级联放大40dB，然后由增益控制网络控制其放大倍数，通过单片机ADuC842内置D/A输出不同直流电平送入乘法器AD834,将信号转换为差分电流信号，再送入放大器AD844进行信号放大，该增益控制网络增益控制范围在-72~12dB内，最后功率放大器件BUF634实现功率放大输出。经过完整的测试，该系统能达到设计指标。

关键词：增益控制，频带宽度，直流零点漂移

一、系统方案

方案一,本系统原理方框图如图1所示。本系统由前置放大器，中间放大器，功放级，控制器，键盘，LCD显示器及自制稳压电源等组成。其中前置放大器，中间放大器,功放构成了信号通道。增益控制选择的方式为乘法器AD834，通过单片机D/A输出不同直流电平送入乘法器与前一级送入的信号进行相乘，能实现设定增益控制范围-70至+12dB。电路设计与调试相对较简单。其主要技术指标分配见表1。

图1系统原理方框图

表1 技术指标分配一览表

器导通不同衰减倍数的衰减网络。增益衰减的范围与衰减网络级数有关，参数计算复杂而且精度不高，并且不易做到增益的连续可调。

综上所述，本组最终选择方案一来完成宽带直流放大器的设计。

二、理论分析与计算

2.1带宽增益积

这是用来简单衡量放大器的性能的一个参数,表示增益和带宽的乘积。按照放大器的定义，这个乘积是一定的，在设计电路时增加放大器的电压增益，其带宽将下降。本系统前置

级40dB放大部分采用4级AD8039级联而成，单级放大倍数不超过4倍,AD8039单位增益带宽积350MHz，单级运放带宽理论为87.5 MHz。增益可控网络采用AD834和AD844级联而成，AD834操作频率可到500MHz，AD844单位增益时带宽约为60M，最后一级使用的BUF634工作在大带宽模式，理论单位增益带宽180MHz。结合表1可以看出,在满足题目各项要求的前提下,在设计的时候都将增益带宽积留有充分的裕度。

2.2通频带内增益起伏控制

本系统由于用到宽带运放AD8039,AD844，乘法器AD834以及功放BUF634，在低频范围具有较为平坦的幅频特性，增益起伏不大，但随着频率的升高后，后级功放工作即将接近饱和，增益会有下降的趋势，通过提高后级电源电压可以使增益更加稳定，从而使通频带内增益起伏得到一定控制。

2.3线性相位

在实际系统中，一个输入信号可以分解为多个正弦信号的叠加，为了使得输出信号不会产生相位失真，必须要求它所包含的这些正弦信号通过系统的时间是一样的。本系统由于用到宽带运放AD8039,AD844，乘法器AD834以及功放BUF634，在10MHz通频带内都具有良好的线性相位，以及采取的各种措施提高放大器稳定性均可以使得系统的相位具有更好的线性。

2.4抑制直流零点漂移

零点漂移是指当放大电路输入信号为零时，由于受温度变化，电源电压不稳等因素的影响，使静态工作点发生变化，并被逐级放大和传输，导致电路输出端电压偏离原固定值而上下漂动的现象。显然，放大电路级数愈多、放大倍数愈大，输出端的漂移现象愈严重。严重时，有可能使输入的微弱信号湮没在漂移之中，无法分辩，从而达不到预期的传输效果，因此，提高放大倍数、降低零点漂移是直接耦合放大电路的主要矛盾。本系统在抑制直流零点漂移时采取了同相调零电路与自动跟随调零等方案，使得系统的直流零点漂移得到充分抑制。同相调零电路见附图1。

2.5放大器稳定性

由于电源电压不稳、元器件参数变值、环境温度变化，或者本身电路设计有一定缺陷，会导致放大器工作在不稳定状态。提高放大器的稳定性，除了保证设计电路合理，还要采取各种抗干扰措施，具体采取的措施如电源隔离，地线隔离，数模隔离以及采取直接耦合方式等。本系统在输入级，增益控制部分与功放机，控制部分的地线都分开连接到直流稳压电源上，防止末级信号和控制部分的脉冲信号通过公共地线耦合至输入级。在输入级将整个运放用较粗的地线包围，除了信号走线，电源线外，其余部分均可作为地线，形成大面积接地，这样可吸收高频信号减少噪声。在增益控制部分和功放部分也采用了此方法完成地线隔离。此外还采取了各级供电的电源退耦，数模隔离，运放加上散热片等大量措施以提高放大器的稳定性。

三、电路与程序设计

3.1 电路设计

3.1.1前置放大器

选用两片AD8039,四级运放，每一级放大倍数3.07倍，总增益设计为38.9dB，实际测得

约为39dB，并且在最后一级做了失调电压的调节，保证信号在进入下一级电路网络时不引入较大的失调电压。具体电路见附图1。

3.1.2中间放大器

中间放大器电路如图2所示,D/A输出直流电平通过V+送入乘法器AD834,将信号转换为差分电流信号，再送入放大器AD844进行信号放大，本增益控制网络增益控制范围在-72~12dB内。

图2 中间放大器

3.1.3功放

功率放大器选择BUF634保证在50Ω上电压有效值可以达到10V以上，以满足题目发挥部分的要求。具体电路图见附图2。

3.1.4自制稳压电源

通过变压器将市电220V/50Hz(允许一定的波动) 的输入电压变到20V/50Hz(允许一定的波动)，然后经过整流桥网络将其变为两路直流信号，在经过三端稳压器件将其变到我们所需的直流电压，为本系统提供多种电源电压输出。具体电路图见附图3。

3.2．程序设计

本系统软件设计主要完成的有增益控制,由一路DA直接输出直流电平送入乘法器。实现较为简单。具体软件流程图见附图4。

四、测试方案与测试结果

4.1．测试方案与测试条件

4.2．测试数据

4.2.1负载测试

经测试放大器的输入电阻49.2Ω，满足题目要求的负载电阻（50±2） 的要求。

4.2.2.输出噪声测试

输入有效值为10mV，频率1MHz时，在A V＝60dB时，输出端噪声电压的峰－峰值为0.08V，满足题目的要求V ONPP≤0.3V。

4.2.3.输出电压有效值测量

输入信号频率为100KHz,输入信号幅度可变，输出信号波形无明显失真。测试结果如表3。

10 V 同时达到了大于等于10V和最大电压增益A

≥60dB的题目要求。

u

4.2.4. 频率特性测量

输入端加入有效值为8mV，增益设置为40dB。测试的数据如表4 。

表4 频率测试数据

在0～9MHz通频带内增益起伏≤1dB。

4.2.

5.预置增益测量

输入端加有效值10mV，频率为1MHz的正弦信号，保持幅度稳定，然后预设增益值并测量输出信号来计算增益误差。测试的数据见表5。

表5 增益误差测试数据

V

预置范围为0～60dB，步距为5dB。

4.3．测试结果分析

通过以上测试数据我们可以看到，系统在电压增益范围，输入电压有效值，通频带范围，