03年国赛-宽带放大器

本设计由三个模块电路构成：前级放大电路（带AGC部分）、后级放大电路和单片机显示与控制模块。在前级放大电路中，用宽带运算放大器AD603两级级联放大输入信号，输出放大一定倍数的电压，经过后级放大电路达到大于8V的有效值输出。ADUC812的单片机显示、控制和数据处理模块除可以程控调节放大器的增益外，还可以实时显示输出电压有效值。

本设计采用高级压控增益器件，进行合理的级联和阻抗匹配，加入后级负反馈互补输出级，全面提高了增益带宽积和输出电压幅度。应用单片机和数字信号处理技术对增益进行预置和控制，AGC稳定性好，可控范围大，完成了题目的所有基本和发挥要求。

方案论证与比较

1.可控增益放大器部分

方案一简单的放大电路可以由三极管搭接的放大电路实现,图1为分立元件放大器电路图。为了满足增益60dB的要求，可以采用多级放大电路实现。对电路输出用二极管检波产生反馈电压调节前级电路实现自动增益的调节。本方案由于大量采用分立元件，如三极管等，电路比较复杂，工作点难于调整，尤其增益的定量调节非常困难。此外，由于采用多级放大，电路稳定性差，容易产生自激现象。

方案二为了易于实现最大60dB增益的调节，可以采用D/A芯片AD7520的电阻权网络改变反馈电压进而控制电路增益。又考虑到AD7520是一种廉价型的10位D／A转换芯片，其输出V out=Dn×Vref/210，其中Dn为10位数字量输入的二进制值，可满足210=1024挡增益调节，满足题目的精度要求。它由CMOS 电流开关和梯形电阻网络构成，具有结构简单、精确度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点，故可以采用AD7520来实现信号的程控衰减。但由于AD7520对输入参考电压Vref有一定幅度要求，为使输入信号在mV～V每一数量级都有较精确的增益，最好使信号在到达AD7520前经过一个适应性的幅度放大调整，再通过AD7520衰减后进行相应的后级放大，并使前后级增益积为1024，与AD7520的衰减分母抵消，即可实现程控放大。但AD7520对输入范围有要求，具体实现起来比较复杂，而且转化非线性误差大，带宽只有几kHz，不能满足频带要求。

方案三根据题目对放大电路的增益可控的要求，考虑直接选取可调增益的运放实现，如运放AD603。其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯型网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定；而这个参考电压可通过单片机进行运算并控制D/A芯片输出控制电压得来，从而实现较精确的数控。此外AD603能提供由直流到30MHz以上的工作带宽，单级实际工作时可提供超过20dB的增益，两级级联后即可得到40dB以上的增益，通过后级放大器放大输出，在高频时也可提供超过60dB的增益。这种方法的优点是电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化用单片机处理。

2.后级固定增益部分

由两片AD603级联构成的前级放大电路，对不同大小的输入信号进行前级放大。由于AD603的最大输出电压较小，不能满足题目要求，所以前级放大信号需经过后级放大达到更高的输出有效值。

方案一使用集成电路芯片。使用集成电路芯片电路简单、使用方便、性能稳定、有详细的文档说明。可是题目要求输出6V以上有效值，而在电子市场很难买到这样的芯片，而我们买到的如AD811，HA-2539 等芯片，虽然输出电压幅度能满足要求，但是很容易发生工作不稳定的情况。

方案二使用分立元件自行搭建后级放大器。使用分立元件设计困难，调试繁琐，可是却可以经过计算得到最合适的输入输出阻抗、放大倍数等参数，电阻电容可根据需要更换，在此时看来较集成电路灵活。因此，我们决定自行设计后级放大器。

系统设计

1.总体设计思路

根据题目的要求，结合考虑过的各种方案，我们认真取舍，充分利用模拟和数字系统各自的优点，发挥其优势，采用单片机预置和控制放大器增益的方法，大大提高了系统的精度和可控性；后级放大器使用由分立元件设计的推挽互补输出放大器，提高了输出电压有效值。我们使信号都在单片机的数字算法控制下得到最合理的前级放大，使其放大倍数精确。图2所示即为本系统原理框图。

输入信号通过前级可控增益放大，放大倍数由单片机通过D/A转换提供的电压控制。AD603的Vg （=V1-V2）根据公式：增益GAIN=40×Vg+20（dB）来设定，而在AGC模式下，此控制电压Vg是由AGC 电路的反馈电压得到，不受单片机控制。经过前级放大后的信号最后经过后级放大得到需要的输出信号，前级和后级增益的搭配，都是经过精确的测量和计算的。输出电压经峰值检波电路得到，反馈到单片机，经运算和线性补偿得到有效值，同时单片机推动数码管显示出来。

2．主要电路原理分析

（1）直流稳压电源本电源采用桥式全波整流、大电容滤波、三端稳压器件稳压的方法，产生各种直流电压，如正负15V,正负5V等都可以买到相应的固定输出的三端稳压芯片，如LM7815、LM7805。而电子市场上没有我们要求的前级和后级放大器所需要的+10V和+30V固定输出的三端稳压器件，所以我们采用LM317T可变输出的稳压芯片，典型电路图如图3。

交流输入经过电容滤波后的稳定的直流电送到三端稳压集成电路LM317T的Vin端。LM317T是这样工作的：由Vin端给它提供工作电压以后，它便可以保持其+V out端比其ADJ端的电压高1.25V。因此，我们只需用极小的电流来调整ADJ端的电压，便可在+V out端得到比较大的电流输出，并且电压比ADJ端高出恒定的1.25V。

在LM317T的ADJ端加一个接地的滤波电容，会使纹波抑制比大幅度地提高，给高频小信号运算放大器提供非常稳定的电源。二极管的作用是当有意外情况使得LM317T的输入电压比输出电压还低的时候防止从输入端上有电流倒灌入LM317T引起其损坏。其电源电路见本刊网站。

（2）前级放大器和AGC AD603为单通道、低噪声、增益变化范围连续可调的可控增益放大器。带宽90MHz时增益变化范围为-11～+3ldB；带宽为9MHz时为9～51dB。增益变化范围可分三种模式进行控制：当5脚与7脚断开时，增益变化范围为9～51dB,当5脚与7脚短接时，增益变化范因为-11～+3ldB,当5脚与7脚之间接一电阻时，可使增益变化范围进行平移。