程控宽带直流放大器的设计

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3.1 设计任务书
3.1.4 设计及论文的时间安排
第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 第五部分 第六部分 第七部分 阅读相关资料，学习相关理论知识（3周）。 设计系统的总体设计方案（3周）。 绘制PCB版图并完成硬件系统（3周）。 编制相应的软件设计（2周）。 系统各模块调试以及系统总体联调（2周）。 完成论文写作（3周）。 评阅及答辩。
第3章 程控宽带直流放大器的设计
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本章导读
本章将介绍一种增益可调、通频带可预置的程控宽带直流 放大器，其中包括了宽带直流放大器的原理、硬件的制作、 软件程序的编写及系统的调试等。
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3.1 设计任务书
设计任务书的作用是让设计者了解本系统设计的目的、意义，有关的 要求以及整个设计的时间安排，只有这样才能高质量地完成系统设计。
1. 可控增益放大器部分 方案一：用AD603进行两级放大。 方案二：用AD811和可控电阻权网络AD7520。 方案三：用增益可控直流放大器LMH6505。 综合上述方案，这里选择方案三。 2. 后级固定增益部分 方案一：使用分立元件自行搭建二级放大器。 方案二：使用集成电路芯片。 考虑到性能的稳定性和时间紧迫等因素，这里选择方案二。
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3.3 系统方案论证与理论分析
模拟电子技术中许多器件的物理特性往往是电类学习中的难点，想 要成为一名优秀的硬件工程师必须要对这些特性充分熟悉。在进行方案 设计之前需要对这些知识有个大概了解。
3.3.1 宽带直流放大器总体方案分析
与一般宽带放大器相比，宽带直流放大器要求具有良好的低频放大 特性，其幅频特征示意图如下图所示。所以在芯片选型时，其作用频率 范围要从0Hz开始。
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3.1 设计任务书
3.1.3 设计的要求
1. 最大电压增益AV≥60dB，输入电压有效值Vi≤10 mV。 2. 在AV＝60dB时，输出端噪声电压的峰——峰值VONPP≤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Vo≥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AV可预置并显示，预置范围为0～60dB，步距为5dB（也 可以连续调节）。 7. 了解相关理论，对各种设计方案进行对比，找出最合理的方案。 8. 完成硬件设计及制作并编写相关的软件程序。 9. 完成系统调试，使系统能正常工作。
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3.2 引言
3.2.2 本文研究的主要内容
本课题介绍一种增益可调、通频带可预置的程控宽带直流放大器，其中 包括了宽带直流放大器的原理、硬件的制作、软件程序的编写。 介绍了本课题的设计背景、实用价值及设计安排。 介绍了研究背景和设计内容安排。 讨论并比较了各个模块的设计方案，最后得出了总体设计方案，给出了整个 系统的流程图。论证本系统各个模块方案的可行性并完成了每个模块芯片的 选型。 介绍了硬件系统的设计，这是本次设计的精华所在。本章节给出了直流稳压 电源模块设计，可控增益模块设计，固定电压放大模块设计，补偿滤波器模 块设计，自动增益控制模块设计的原理图及芯片外围电路设计。 分析了系统的功耗及性价比。 讲述了本系统的测试结果以及笔者的测试结果。 总结。
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3.4 电路设计
3.4.2 可控增益模块设计
LMH6505是一款宽频带直流耦合压控增益运算放大器， 在0-10MHz范围内通过调节增益控制电压可使其增益可调范 围为80dB，低增益时的-3dB带宽为150MHz，压摆率，输 入噪声电压为。可以满足对小信号低噪声放大，对大信号高 倍衰减的要求。其管脚示意图如下图所示。
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3.4 电路设计
本节对各模块的设计进行了详细的分析，包括直流稳 压电源模块的设计、可控增益模块的设计、固定电压放大 模块的设计、补偿滤波器模块的设计等。
3.4.1 直流稳压电源模块设计
电子设备中需要直流电源，便携式电子产品往往采用 干电池、蓄电池等供电。但这些电源成本高，容量有限。 所以在有交流电源的地方，一般采用直流稳压电源将交流 电变为直流电。直流稳压电源一般由电源变压器、整流电 路、滤波电路和稳压电路四部分组成，如下图所示。
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3.4 电路设计
四个部分作用如下： 电源变压器：将电网供给的交流电变换成符合整流电路要求的交流电。 整流电路：将变压器二侧的交流电压变换为单向脉动的直流电压。 滤波电路：将脉动的直流电压变换为平滑的直流电压。 稳压电路：将直流输出电压稳定，减少电源电压波动和负载变化对输出直 流电压的影响。 本设计中使用的运放等器件需要的电源电压有+5V、+9V、-9V、+12V、 -12V，+18V、-18V。78、79系列芯片是输出电压固定的三端集成稳压器 （78系列正输出和79系列负输出）。根据输出电流的不同，又可分为三种： LM78××、LM79××的最大输出电流为1.5A；LM78M××、LM79M××的 最大输出电流为0.5A；LM78L××、LM79L××的最大输出电流为0.1A。
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3.1 设计任务书
3.1.5 摘要
随着通信技术和微电子技术的发展，宽带放大器在科研中具有重要 作用。本系统设计并实现了一种增益可调、通频带可预置的宽带直流放 大器。它由四个模块构成：前级放大电路（带AGC部分）、后级放大电 路、补偿滤波器和单片机显示与控制模块。在前级放大电路中，用 LMH6505两级级联放大输入信号，输出放大一定倍数的电压，经过由 AD811构成的后级放大电路达到大于10V的有效值输出。C8051F20 单片机通过D/A转换器可实现AGC、电压增益预置及通频带预置。电压 增益与带宽测试表明：随着频率增大，输出幅值有所衰减，但 0~10MHz内幅频特性曲线在3dB通频带范围内；系统引入的噪声电压 峰——峰值为0.26V<0.3V。该放大器功耗低、性价比高，并且性能非 常稳定。 关键词：宽带，直流，AGC，放大器
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3.3 系统方案论证与理论分析
3. 放大器带宽控制部分 方案一：后级使用低通滤波器 方案二：改变电压放大电路的增益 从实现容易程度和功耗方面考虑选择方案二。 4. 幅频曲线补偿部分 方案一：采用测频程控补偿 方案二：采用OPA603构成补偿滤波器。 考虑到本题对放大器幅频响应要求较高，专用芯片的幅频 不易控制，所以选择方案二。 5. 主控制芯片选择 方案一：采用89S52单片机 方案二：采用C8051F020单片机
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3.2 引言
3.2.1 研究背景
随着电子、计算机等技术的发展，人们需要能够远距离、随 时随地地传送信息。于是，各类通信技术得到了迅猛的发展，技 术也越来越成熟。宽带放大器在通信系统和电子系统中占据极其 重要的位置，实际运用对它的要求也越来越高。宽带直流放大器 在科研中也具有重要作用，它广泛应用于A/D转换器、D/A 转换 器、有源滤波器、波形发生器、视频放大器等电路，以及通讯、 广播、雷达、电视、自动控制等各种装置，因此对直流宽带放大 器研究具有十分重要的意义。 通过传感器获得的自然界电信号往往是从直流成分到几十Hz 带宽内、高内阻、弱信号，需要对这些低频弱信号进行放大后再 进行采集，而通信发射机末端等装置又需要中高频弱信号进行功 率放大，使其具有大的负载能力。因此设计出一种程控宽带直流 放大器这样一种通频带从0Hz到数十兆Hz的通用放大器就具有很 大的意义。
3.1.1 宽带直流放大器概述
放大器是能把输入信号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、 电源变压器和其他电器元件组成。放大器作用是将高频已调波信号进行功 率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在 一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的 通信。高频功率放大器按其工作频带的宽窄划分为：窄带高频功率放大器、 宽带高频功率放大器。 窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回 路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器。 宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电 路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件， 它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。
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3.1 设计任务书
放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工 作状态。甲类放大器电流的流通角为360°，适用于小信号低功率放 大。乙类放大器电流的流通角约等于180°；丙类放大器电流的流通 角则小于180°。乙类和丙类都适用于大功率工作丙类工作状态的输 出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于 丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放 大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路 具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。 声音信号、自然界信号往往是从直流成分到几十赫兹带宽内、高 内阻、弱信号，需要对这些低频弱信号进行放大后再进行采集，这就 需要放大器具有很好的直流特性。宽带直流放大器与其他放大器的最 大区别就在于它的直流、低频信号处理能力。
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3.1 设计任务书 3.1.2 设计的目的与意义
设计的目的：设计并实现一种增益可调、通频带可预置的 程控宽带直流放大器。以增进实验者对于放大器各个性能指 标的认识，同时培养其对于人机界面设计的能力。 设计的意义：随着通信技术和微电子技术的发展，宽带放 大器在科研中具有重要作用。其广泛应用于A/D转换器、 D/A转换器、有源滤波器、波形发生器、视频放大器等电路。 这些电路要求运算放大器具有较高的电压增值，较宽的频带 宽度，较平稳的幅频特性曲线。然而大部分宽带放大器不具 备很好的低频特性。在自动控制及自动测量系统中，需要把 一些非电量（如温度、转速、压力）等参数通过传感器转变 成电信号，这些微弱的电信号经过放大之后就可以使数据的 记录更加精确。这些电信号大多是变化极其缓慢且极性是固 定不变的非周期型号（直流信号），它需要直流放大器放大。
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3.4 电路设计
3.4.3 固定电压放大模块设计
固定电压放大模块的设计运用到了模拟电子中的同相比例放大器的知识。 理论上的增益倍数推导完全一致。在实际的设计中要注意以下两个问题： 所用运放在10MHz的-3dB通频带内是否能够达到所需增益，也就是考虑它 的带宽增益积是否满足要求。 所用运放的最大输出电压是否可以满足放大器的电压输出要求。
3.4.4 补偿滤波器模块设计
采用高速电流反馈运算放大器OPA603搭建有源低通滤波器，该滤波器的 截止频率大于10MHz，要求其在0~9MHz的范围内幅频曲线与放大器输出幅频 曲线互补。使放大器在0~9MHz通频带内增益起伏≤1dB。
按键控制
液晶显示
MCU AGC 自动增益 前级放大 后级放大 补偿滤波 输出
输入
chin.2 理论分析
与数字电路设计采用一款固定的FPGA/CPLD、MCU不同的是模 拟电路的设计平台往往不确定，即需要对芯片选型进行深入研究。
3.3.3 芯片选型
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3.3 系统方案论证与理论分析
为了使系统达到增益倍数，往往需要多级放大电路级联。本设计中共 有三级放大，三级放大均需要有良好的低频特性。前级放大电路需要选取 增益可变的放大器，以使整个宽带直流放大器达到增益可变的要求。该级 放大器要具有低噪声宽带高速的特性。经过前级放大的信号，需要通过一 个电压放大器，以使输出电压在50欧姆负载下有效值大于10V。末级放大 电路实现的功能是对前两级放大的通频带调整。来弥补前两级放大电路带 宽随增益增加而急剧降低的问题。通过单片机控制DA、液晶就可以实现 电压增益可预置并显示的功能。系统总体框图如下图所示。