宽带直流放大器(廖艳闺).......电子制作

宽带直流放大器

武汉大学廖艳闺唐晓庆李刚

指导老师黄根春张望先

提要：本系统以单片机MSP430F449为控制核心及数据处理核心,采用可变增益宽带放大器AD603作为提高增益的核心器件,设计并制作了一个宽带直流放大器及所需的高效率直流稳压电源。以AD603构成前级放大电路，辅以程控放大电路和功率放大电路,整个系统最大电压增益达到90dB，增益可以连续调节，最小输入电压有效值为0.35mV，最大输出电压正弦波有效值达到10.6V。可以设置0~5MHz和0~10MHz两个通频带，通频带内增益起伏≤0.8dB。使用了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激，该放大器性能稳定，并具有零点自动校准功能，能较好地抑制直流零点漂移。由于采用了单片机低功耗工作模式，并且使用了一些高性价比、低功耗的器件去设计电路，因此本放大器具有成本低，功耗小，性价比高的优点。

一、方案比较与选择

题目分析：综合分析题目要求，在较宽的信号带宽（0~10MHz）内，实现最大电压增益≥60dB，且能够连续调节增益或能够以5dB步距预置增益，是本题的最大难点，也是设计的重点之一。另一难点是后级功率放大模块的设计要使最大输出电压正弦波有效值V o≥10V。要得到更好的性能指标，放大电路的零点漂移也是一个很难解决的问题。此外，在整个放大器的设计中，要考虑其成本。

1、数据处理和控制核心选择

方案一：采用单片机AT89S52+FPGA最小系统板。即由单片机和FPGA来实现信号增益控制、数据处理和人机界面控制等功能。

方案二：采用单片机MSP430F449最小系统板。即由单片机MSP430F449实现整个系统的统一控制和数据处理。

本系统不涉及大量的数据存储和复杂处理，虽然方案一控制更灵活更方便，但FPGA的资源得不到充分利用，且系统规模大，成本高。而单片机MSP430F449是一种16位超低功耗微处理器，具有丰富的片上外设和较强的运算能力，且可在线编程，不用外部编程电压，使用十分方便，性价比高。故采用方案二。

2、信号增益控制及功率放大方案设计

方案一：采用三极管构成多级放大电路实现≥60dB的增益，并使用分立元件自行搭建后级功放。本方案成本低，但电路设计复杂，增益的步进调节或连续调节难以实现，调试繁琐，且电路稳定性差，容易产生自激现象。

方案二：采用集成芯片，如采用低噪声、精密控制的可变增益放大器AD603作增益控制核心器件，采用高电压输出的宽带运放完成功率输出。AD603温度稳定性高，其增益（dB）与控制电压（V）成线性关系，使用D/A输出控制电压能实现精确数控。

综上所述，采用方案二，电路集成度高、控制方便、易于数字化用单片机处理。

二、总体方案设计及系统方框图

系统总体框图如图2-1所示。

总体方案描述：本系统采用单片机MSP430F449作为数据处理和控制核心。输入信号经过前级放大电路、后级程控放大和末级功率放大，实现了90dB的最大电压增益。后级功率放大器使用高电压输出的宽带运放，提高了输出电压有效值。单片机通过D/A转换器调整AD603的控制电压，通过继电器切换后级程控放大电路通道，实现了放大器增益的预置和控制功能，大大提高了系统的精度和可控性。通过切换两路椭圆滤波器实现了通频带选择。手动调节连续可调电位器，连续改变AD603的控制电压，实现了增益连续调节功能。本放大器的直流偏置电压和直流零点漂移主要由AD603输出端引入，AD603增益不同时，输出的直流偏置电压不同。将本直流放大器输入短路，用MSP430F449内部ADC对直流偏置电压采样，利用单片机和数字算法控制D/A转换器输出对应的调节电压，控制调零放大器调节直流偏置电压为零，既抑制了直流零点漂移，又实现了自动调零校准功能。

图2-1 系统总体框图

三、主要单元电路介绍

1、AD603构成的前级放大电路

如图4-1所示，信号经SMA接头输入放大器。由于AD603的输入阻抗为100Ω，故在输入端接100Ω的电阻R1到地，使放大器输入阻抗为50Ω。电路增益由1、2脚间电压差V G控制，2脚接固定参考电压，1脚电压由D/A转换器控制，或由变位器手动调节控制，实现增益连续调节。AD603的增益为G(dB)=40×V G12+G0，AD603的5、7脚间接3k的反馈电阻R f(最好要与反馈电阻并联一个小电容(几p到几十p左右)),使G0=21.58dB，增益调节在1.58dB~41.58dB范围内。

图4-1 AD603构成的前级放大电路图4-2 调零放大电路

2、调零放大器电路

该部分为电压反馈型运放OPA690构成的一个加法电路，如图4-2所示。OPA690 具有1800V/us摆率，单位增益带宽积为500MHz，完全能够将AD603输出信号放大3倍。由D/A转换器输出调节电压加在OPA690输入端，对AD603输出的直流偏置电压进行校正。OPA690另一路采用加法方式输入-5V，调节双通道D/A转换器TLV5638输出的单极性电压（0~4.096V）变换为双极性电压。双通道D/A转换器TLV5638另一路为AD603输出控制电压；调零用的采样ADC利用MSP430内部AD，节约了ADC，降低了系统的成本。

3、椭圆滤波器

分别设计了-3dB截止频率为5MHz和10MHz的9阶无源椭圆滤波器。根据滤波器设计手册中的归一化设计表格，可以查表得到所需要的电容电感值。并通过滤波器软件仿真，根据仿真得到的幅频特性曲线对电容电感值做调整。图4-3为10MHz的椭圆滤波器的电路及仿真幅频特性曲线图。实际测试结果为：截止频率为10.02MHz,带内起伏≤0.8dB。

图4-3 10MHz的9阶椭圆滤波器电路及仿真幅频特性曲线图

4、程控放大电路

如图4-4所示，该程控放大电路为降低成本，仅用到一款运放OPA699，构成增益为1和10两个档，后面为两个继电器切换电阻衰减网络，一个衰减为0.1倍，另一个为0.01倍。该程控放大电路加上前级AD603的41.58dB最大增益、14dB的末级功率放大等，最终整个系统实现了90dB的最大电压增益。

图4-4 程控放大电路图4-5 功率放大电路

5、后级功率放大电路

采用电流反馈型运放THS3091做5倍功率放大，如图4-5所示。THS3091具有高达7300V/us的摆率，带宽不小于200MHz，采用±18V供电。其最大输出电流为250mA，若采用一片THS3091，驱动不了题目要求的最大电压有效值不小于10V的输出，因此采用两片THS3091并联，每片THS3091为50Ω负载提供一半电流。

6、直流稳压电源

直流稳压电源核心部分包括：电源变压器、桥式全波整流电路、大电容滤波电路、低压差稳压器件稳压电路。电源变压器由一个初级线圈和三个次级线圈构成，为低压差稳压器件LT1963和LT1175提供三个独立转换电压。LT1963、LT1175均为可变输出的稳压芯片，LT1963输出正电压，LT1175输出负电压，调节每一稳压芯片外围的两个取样电阻值的比例，灵活得到±18V、±15V和±5V输出。低压差稳压器件的使用提高了直流稳压电源的效率。

四、程序设计

本系统软件设计部分基于MSP430F449单片机平台，主要完成增益控制、直流零点自动校准功能、按键处理和显示控制。充分利用MSP430F449低功耗模式，当相应