宽带直流放大器论文

2009年全国电子设计大赛论文题目名称：宽带直流放大器(C题) 论文编号：C甲3832本课题采用集成电压放大电路和分立元件构成的功率放大电路，具有硬件电路形式简单，调试容易，频带宽，增益高，AGC动态范围宽的特点，且增益可调，步进间隔较小。

本宽带放大器以可编程增益放大器AD603和NE5532为核心，由三级放大器组成，由于AD603的输入阻抗为100Ω,满足题目所要求。

前两级为AD603组成的可变增益放大器，主要作用是实现增益可调及AG能，第三级为由NE5532构成的放大电路，其主要功能是近一步提高系统的增益，并且使系统的3dB带宽稳定在题目要求的10Hz左右。

增益控制和AGC 功能都由单片机控制，可预置并显示增益值，增益可调范围0dB～60dB，步进5dB，由单片机自动调节放大倍数可实现AGC功能，使输出电压稳定在4.5V~5.5V之间负载能力，提高输出电压幅度。

由于宽带放大器普遍存在容易自激及输出噪声过大的缺点，故本系统采用减少耦合电容以避免系统产生的自激振荡的方法。

关键词：AD603, AGC, 增益可调宽带。

一方案论证与比较 (4)1.1增益控制部分 (4)1.2运放的选择方案论证... (4)错误！未定义书签。

1.3功率输出部分方案论证 (5)二主要电路原理分析和说明 (5)1增益分配 (5)2前级电压跟随器 (5)3 增益控制电路 (5)4 单片机小系统 (6)5 软件设计 (7)6 输出级功率放大电路设计 (8)7 自动增益控制设计 (9)8电源电路设计 (7)三．数据测试与分析 (8)1．测试使用的仪器 (8)2．测试数据 (8)3.控制测量 (11)4噪声控制 (11)四．进一步改进措施 (11)附录附录1：元器件明细表附录2：电路图附录3：参考文献附录4:部分源程序代码一方案论证与比较1.1增益控制部分方案论证方案一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。

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。

方案二使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器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（如图2）。

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，选用方案二，采用集成可变增益放大器AD603或OP657作增益控制。

1.2运放的选择方案论证方案一使用AD603作为增益控制部分。

AD603 是AD 公司研制的一种新型的运算放大器, 它不但具有低噪声影响, 高频带宽度, 稳定性能好的特点, 还具有电压控制的可变增益功能。

这种可变增益功能是其它运放所不能比拟的。

方案二 OPA657提供了低投入的独特组合电压噪声，高增益带宽和直流精度特殊高投入阻抗，高增益级放大器。

但是OPA657不具有电压控制的可变增益功能。

综上所述，选用方案一，采用集成可变增益放大器AD603作增益控制。

系统方框图见图1－1。

图1－1 系统总体方框图1.3功率输出部分方案论证方案一我们采用集成功放芯片LM386电压增益最大时的用法，见附录图1-2，但是LM386的带宽只有300Hz，而本题要求系统的3dB带宽为10MHz。

显然，不符合题目带宽要求。

方案二根据赛题要求，放大器通频带从0到5MHz，发挥部分的通频带要求0到10MHz。

单纯用音频或射频放大的方法来完成功率输出，要做到2V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放。

这时候采用分立元件就能显示出优势来了，我们采用OCL甲乙类互补对称电路，见附录。

二．主要电路原理分析和说明1．增益分配本系统以可变增益增益放大器AD603为核心，其它各单元电路都是根据AD603及题目要求设计。

题目基本部分要求最大增益要大于40dB，最大输出电压有效值大于等于2V，而中间级采用的可编程增益放大器AD603和NE5532对输入电压和输出电压均有限制，所以，必须合理分配三级放大器的放大倍数。

AD603的最大输出电压有效值约为1.2V，假如要实现发挥部分的最大输出电压有效值大于等于10V的要求，即输出电压峰峰值minppV＝2×10×2＝28.2V，为得到最大输出电压,则后级放大至少要有9倍。

我们发现，AD603在输出电压过大时，波形会有失真。

为了实现输出不失真，同时尽量扩大输出电压，把AD603最大输出电压的峰峰值为定为2V左右，则放大倍数：A＝22.28＝ 14.1 ＝ 23 (dB)故后级需要放大8.5倍，即17 dB。

2．前级电压跟随器由于AD603输入阻抗是100欧，需加大输入阻抗才能满足题目要求，而且前级信号比较小，容易受噪声干扰，经过综合考虑。

我们在前级放大采用电压跟随器芯片OPA642，其带宽较宽。

电路图见附录图2－1。

为了满足题目要求输入阻抗大于50Ω选取R3 = 100。

3．增益控制电路：AD603的简化原理框图见附录图 2-2，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。

图中加在梯型网络输入端（VINP）的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。

增益的调整与其自身电压值无关。

而且，如果AD603的增益用dB表示，则与控制电压成线性关系，以上特点很适合构成本题要求的放大器。

4. 单片机小系统单片机系统采用AT89C52为核心，时钟信号采用12MHz晶体，扩展了32k 的外部数据存储器，采样FLASH ROM 28C256作为外部数据存储器，可以保存预置增益值。

采用可编程键盘专用接口芯片8279扩展键盘；显示部分采用128×64的点阵液晶显示器，换器用D/A转换器用DAC0832。

单片机系统方框图如图2—4。

图2－4 单片机系统方框图5. 软件设计由于本系统中单片机只起控制增益和显示的作用，所以软件设计比较简单。

启动后进入增益控制界面，可以通过按键调节增益，步进1dB，还可以切换显示输出正弦电压有效值和峰峰值，以及切换到AGC功能。

6．输出级功率放大电路设计：后级输出电路我们采用OCL功率放大电路形式如图2-4。

图2－4 后级功率放大电路7．自动增益控制设计：本系统的自动增益控制功能，实际是由增益控制电路转化而来。

在输出级加入检波电路，检出直流电压送入A/D 采样，经单片机计算后控制D/A 输出，此电压加到AD603的增益控制端，从而控制AD603的增益达到使输出电压恒定的目的。

8．电源电路设计：整个系统需要的电源有＋5V ，－5,＋12V ，－12V 。

＋5V/－5V 是前置放大器和AD603的工作电源．＋12/－12是输出级运放工作电源。

电源采用变压器变压后整流，滤波，再接三端稳压芯片7812，7912，7805，7905。

各稳压芯片都配有散热片，最大输出电流可达1.5安。

满足系统要求。

电路图见附录图2－5－1，2－5－2。

输出±12 V 设计输出电流至少为300 mA 。

假设电网交流电压变化范围为15％～20％，在0.01s 内电压变化为U ∆V d U U UMAX 4.2127.0%)201(2=----⨯=∆F U I U Q C t μ12504.201.03.0.=⨯=∆=∆∆=⋅其中，U ＝16 V （变压器输出交流电压）， V dU3=为 7812、7912最小压降。

设计取滤波电容C ＝F μ3300，即可满足要求。

同理输出±5 V 时取C ＝F μ3300同样满足要求。

三．数据测试与分析1．测试使用的仪器1）HP33120A 型15MHz 函数信号发生器2）Agilent 54622D 100MHz 示波器 3）SX2172交流毫伏表4）SS1793可跟踪直流稳定电源 5）DA22A 超高频毫伏表 6）DT9205数字万用表2．测试数据：（1） 输入电阻：测试方法：在信号源与输入端串一个100Ω的电阻，测量输入端的电压值，比信号源显示的电压小一半，可知，系统的输入电阻为100Ω，满足题目要求的输入阻抗≥50Ω （2） 幅频特性测试方法：一般宽带放大器测试有两种方法，即“稳态法”与“暂态法”。

根据题目要求的测试参数，我们选用“稳态法”测量。

“稳态法”是以正弦波作为输入信号，在频域内研究放大器的特性。

根据要求采用点频法。

测试框图如图3-2-1图3－2－1测试数据：表中电压单位：V；频率单位：Hz3 dB 带宽0—10.063KHz ，1dB 带宽0KHz ～18MHz表3－2－2 输入电压有效值V in＝0.13V，增益34dB最大输出电压有效值Vrms ＝ 6.6V。

测试输入信号峰峰值V in = 20 mV ，增益40dB ，带宽大于15MHz。

（所用信号源最大输出频率15MHz）图3－2－2 ~图3－2－5分别为以上两个数据表格3dB带宽的两端频率的输出波形，这些图形是HP54622D混合信号示波器上实际显示的波形。

图3-2-2 10KHz输出最大值波形图3-2-3 7.38MHz时输出电压最大值测试数据分析：由测试数据可知，放大器的带宽随输出信号的增大而减小，而且其带宽减小是由于波形失真，分析可得，影响带宽的因素是运放的压摆率，如果采用压摆率更高的运放，在输出大信号时可进一步提高带宽。

3. 增益控制测量：数据表格如表3－3－1 ～3－3－3增益单位：dB；电压单位：V ；输入信号幅度值为峰峰值输入信号峰峰值Vin ＝25 mV，f＝10KHz；表3－3－2 Vin = 109mV f＝3MHz表3－3－3 Vin ＝109mV f＝6MHz最大绝对值为0.5dB，满足题目要求。

4 噪声控制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。

（3 构建闭路环四．进一步改进措施：经过四天三夜的努力，我们较顺利的完成了本系统，达到了题目要求的指标，但由于时间关系，还不能做到尽善尽美。

本系统还存在一定的扩展能力。

例如可通过选用压摆率更高的运算放大器从而进一步拓宽通频带，提高最大输出电压有效值。

在输出电压有效值为6V时，其带宽可达到40MHz。

通过改进单片机程序，可使AGC的输出电压稳定在不同的电压范围内。

另外，如果将电路制作成PCB 板，合理的布局以及采用大面积覆铜等措施，可以使噪声电压降到更低，进一步提系统的性能。

附录附录一：主要元器件明细表附录二：电路图图1-2图2－1 前级电压跟随电路图2－2 AD603原理框图图2－3 两级AD603级联电路图图2－5－1，2－5－2附录三：参考文献（ 1 ）《电子线路设计、试验、测试》谢自美主编华中理工大学出版社出版（ 2 ）《第四届全国电子设计竞赛获奖作品选编》第三届全国电子设计竞赛组委会编北京理工大学出版社出版（ 3 ）《全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选 1994-1999 》全国大学生电子设计竞赛组委会编北京理工大学出版社（ 4 ）《 MCS-51 系列单片机应用系统设计》何立民编著北京航空航天大学出版社出版（ 5 ）《电子测量》刘国林殷贯西等编著机械工业出版社出版（ 6 ）《一种性能优良的自动增益控制电路》张淑娥杨再旺李文田华北电力大学附录四：部分源程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity ad0820isport(d_in:in std_logic_vector(7 downto 0);clk_12M,int:in std_logic;cs,rd,wr:out std_logic;d_out:out std_logic_vector(7 downto 0));end ;architecture behav of ad0820istype states is (st0,st1,st2,st3,st4,st5);signal current_state,next_state:states:=st0;signal d_mid:std_logic_vector(7 downto 0);signal clk:std_logic;begincs<='0';rd<='0';ch: process(clk_12M)variable data:std_logic_vector(1 downto 0);beginif clk_12M'event and clk_12M='1' thenif data="01"thendata:=(others=>'0');clk<=not clk;elsedata:=data+1;end if;end if;end process ch;reg:process(clk)beginif (clk'event and clk='1') thencurrent_state<=next_state;end if;end process reg;com:process(current_state,int,clk)begind_out<=d_mid;case current_state iswhen st0=>wr<='0';next_state<=st1;when st1=>wr<='1';next_state<=st2;when st2=>if(int='0') thennext_state<=st2;elsif int='1' thennext_state<=st3;end if;when st3=>if int='1' thennext_state<=st3;elsif int='0' thennext_state<=st4;end if;when st4=>wr<='0';d_mid<=d_in;next_state<=st5;when st5=>next_state<=st0;when others=>null;end case;end process com;end behav;。