宽带直流放大器

2009年全国大学生电子设计竞赛
宽带直流放大器（C题）
【本科组】
设计成员：宋安（20111305013）
尤天羽（20111305046）
汤柯（20111305053）
2013年8月10日
摘要
本系统由前级放大电路，调零加法器电路，滤波电路，后级程控放大电路，功率放大电路和电源模块六个功能模块组成。

其中前级放大实现0-40dB的放大，有连续和步进两种模式，其中步进由程控增益放大器AD603来实现；补偿零点漂移采用调零加法电路来实现且同时实现10dB的放大；滤波带宽分为5M和10M，通过继电器选择通路；后级程控电路将电压增益固定为3种，分别为-20dB、0dB 和20dB；后级功率输出模块由集成芯片THS3091构成,可将电压放大10dB；系统控制模块以意法半导体公司的STM32为主,可完成增益设定、电压有效值计算、输出电压有效值显示和带宽选择等功能。

最终实现最大电压增益≥60dB且在0-60dB内连续或步距为5dB可调；放大器的带宽可预置并显示;3dB通频带0-10M。

关键字：零点漂移；程控放大；宽带；功率放大
Abstract
The system is composed of pre amplification circuit, zero adder circuit, filter circuit, after class program-controlled amplifying circuit, power amplifying circuit six function module and power supply module. The preamplifier amplifier 0-40dB, continuous and step two modes, one step by the programmable gain amplifier AD603 to achieve zero drift; compensation using zero addition circuit to realize and amplification and 10dB; the filter bandwidth is divided into 5M and 10M, the relay selection path; after class program-controlled circuit voltage gain is fixed at 3, respectively -20dB, 0dB and 20dB; after the power output module is composed of integrated chip THS3091, the voltage amplifier 10dB; system control module to the company of meaning law semiconductor STM32, can complete the gain setting, voltage effective value calculation, effective value of output voltage display and bandwidth selection function. Finally realize the maximum voltage gain is greater than or equal to 60dB and in the 0-60dB continuous or step for 5dB adjustable; the bandwidth of the amplifier can be preset and display; 3dB pass band 0-10M.
Keywords: Zero drift; programmable gain amplifier; broadband; power amplifier
目录
1系统方案 (1)
1.1 理论分析与框图设计 (1)
1.2系统总体方案论证与选择 (1)
2单元电路设计 (3)
2.1 前级放大模块 (3)
2.2 调零加法电路模块 (3)
2.3 滤波模块 (4)
2.3 后级程控放大模块 (5)
2.3 功率放大模块 (6)
2.3 电源模块 (7)
3程序设计 (8)
3.1程序设计思路与功能描述 (8)
3.2程序流程图 (9)
4测试方案与测试结果 (10)
4.1 测试条件与仪器 (10)
4.2 测试方法与测试结果 (11)
5总结 (19)
附录1：滤波器设计公式 (14)
附录2：源程序 (16)
附录3：参考文献 (17)
宽带直流放大器（C题）
【本科组】
1系统方案
1.1理论分析与设计框图
为达到设计要求，放大器必须采用多级直接耦合连接方式，因此本次设计的重点在于电压增益的提高、抑制零点漂移和通频带的扩展，难点在于消除自激振荡、抑制零点漂移、降低增益起伏，整个设计始终围绕这几点展开。

本系统主要由前级放大模块、调零加法电路模块、滤波模块、后级程控放大模块、功率放大模块、电源模块组成，系统总体框图如下图所示。

下面分别论证这几个模块的选择。

50Hz
220V
图1 系统总体设计框图
1.2系统总体方案论证与选择
方案一：以FPGA为主控制器，通过A/D转换对输入信号、中间级放大输出信号以及末级放大输出信号进行采样，经过控制器计算出增益值，将预置增益值Av与Av'进行比较得出差值，主控制器以此差值为依据，控制中间级放大器和末级放大器的增益，最终实现预置输入的目的，原理图如下图2所示。

FPGA具有速度快，管脚引用方便，内部存储资源丰富的优点，但是其操作复杂，且需要外部大量电路，因此不采用。

图2 方案一原理框图
方案二：以51单片机为控制器，输入信号通过前置放大、中间级放大，再经过通频带选择网络完成对通频带带宽的选择，由末级放大器输出。

通过键盘控制选择通频带带宽、电压增益等参数，并由显示器同步显示增益预置值和增益步进值，原理框图如下图3所示。

51单片机指令简洁，操作方便，但是考虑到其内部没有ADC需外接电路增加系统不稳定性，因此不采用；
图3 方案二原理框图
方案三：以STM32为控制器，输入信号通过前置放大，再经过通频带选择网络完成对通频带带宽的选择，由后级放大器再经功率放大输出。

通过键盘控制选择通频带带宽、电压增益等参数，并由显示器同步显示增益预置值和增益步进值，原理框图如下图3所示。

STM32具有丰富的外设资源包括设计所需的ADC和DMA技术，加上成熟的库文件，大大简化了外部电路，降低了成本。

图4 方案二原理框图
综合以上三种方案，选择方案三。

2单元电路设计
2.1前级放大模块的设计
前级放大实现电压增益0-40dB的放大，有连续和步进两种模式，其中连续放大由调节电位器实现，步进由程控增益放大器AD603来实现，步距为5dB。

电路图如下：
图5 前级放大电路子系统电路图
2.2调零加法电路模块
调零加法电路是用来补偿零点漂移，从而达到抑制零点漂移的效果。

它主要由运放OPA2690构成。

其原理是首先在不加外部激励的情况下，用A/D采集输出端电压，送给ARM处理计算后，通过D/A反馈给调零加法电路，实现抑制零点漂移。

原理图和电路图分别如下图6、图7所示：
图6 调零加法电路子系统原理图
图7 调零加法电路子系统电路图
2.3滤波模块
题目要求放大器的带宽可预置并显示，至少5M和10M两点。

本系统分别设计了5M和10M的滤波电路，通过继电器选择通路。

具体计算公式见附录1。

图8 滤波电路子系统电路图
2.4后级程控放大模块
由运放OPA2690构成电压增益为-20dB和20dB的放大电路。

用继电器选择信号到此模块时是放大20dB或者衰减20dB或者既不放大也不衰减。

因此电压增益有3种模式，分别为-20dB、0dB、20dB。

图9 后级程控放大电路子系统电路图
2.5功率放大模块
此模块主要采用功率放大器THS3091构成功率放大电路。

题目要求最大输出电压正弦波有效值≥10V且负载电阻为50欧，所以=282.8mA。

而正常的输出电流只有几十毫安，因此需要多片功放级联来驱动负载。

本系统采用三级功放级联
图10 功率放大电路子系统电路图
2.6电源模块的设计
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。

为整个系统提供 5V或者 15V电压，确保电路的正常稳定工作。

这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。

图11 ±5V电路子系统电路图
图12 ±15V电路子系统电路图
3程序设计
3.1程序功能描述与设计思路
根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示、滤波器的设置、程控增益放大、抑制零点漂移。

1）键盘实现功能：设置增益调节方式（包括连续调节以及步进调节）、滤波器带宽选择以及增益控制范围，同时使用可设置按键进行增益的步进（±5dB）和设置；
2）显示部分：显示增益值、放大器的带宽、增益控制范围以及增益控制方式；
3）滤波器设置部分：
采用单片机控制两路滤波器的继电器加以选择，有5MHz和10MHz两种带宽方式；
4）程控增益放大部分：
利用AD603的Vpos和Vneg的电压差实现其增益可控，使用12位DA（串行接口）TLV5636作为其电压控制端，采用内部参考电压2.048V作为DA的参考电压，控制输出电压，以调节增益；同时可使用按键切换到连续输入模式，利用电位器调节增益，并且使用STM32的内部ADC采集电压，转换并显示增益值。

综上，实现了增益程控的要求；
5）抑制零点漂移部分：
上电稳定后，未加输入信号时通过按键进入零点漂移的抑制子函数内，函数内
部，通过内部ADC采集输出电压，进过软件计算后，根据具体电路折算成运放输入端的电压，具体转换公式如下：
化简之后得：
利用DA将电压加到输入端，以实现零点漂移的抑制。

3.2程序流程图
1、主程序流程图：
图13 主程序流程图
2、抑制零点漂移子程序流程图：
图14 抑制零点漂移子程序流程图
4测试方案与测试结果
1．测试条件和测试仪器
系统容易受到温度和强磁场的干扰，测试时必须在室温且无强磁场干扰的条件下进行，并要确保供电电源的稳定性，测试仪器设备如下表1所示。

2．测试方法和测试结果
① 输入电阻的测试方法是：当R=0时，在输出电压波形不失真的情况下，用交流毫伏表测出输出电压U 01；当R 取固定电阻时，测出输出电压U 02，则有
R U U U R o 2
o 12
o i -=
调整测试电压Us 使输出电压U O1=10V,改变R 的阻值，取多次测量的平均值。

Ω，Ω的要求。

② 最大输出电压正弦波有效值的测试。

输入端V in 加入频率为500KHz 的正弦波，调节输入电压有效值（限制V in ≤10 mV ），测得输出最大不失真正弦波有效值V o =10.6V ，满足基本部分V o ≥2V 和发挥部分V o ≥10V 的要求。

③ 通过按键的切换可实现电压增益A V 的预置和步进并能显示，预置范围为0～60dB ，步距为5dB ，并且可手动连续调节电压增益，放大器的带宽也能满足5MHz 和10MHz 两点预置和通频带带宽的显示。

④ 输出噪声电压测量。

增益调到60dB 档，输入端短路，测得输出电压峰-峰值在0.22~0.26V 间波动，满足发挥部分要求的V ONPP ≤0.3V 的要求。

⑤ 频率特性测量。

增益设为60dB 档，输入端加有效值为10mV 的电压信号，因为信号源不能保证在不同的频段内有相同的有效值，因此在每次测试前，必须调节信号源分有效值，使其稳定在10mV 左右，再测量输出信号的幅值，并带入公式
||lg 20v A =电压增益算的实际电压增益，测试结果如下表3所示。

由上表测试结果得，当输入信号频率为0―20Hz时，系统增益有起伏；当输入信号的频率为20Hz―9MHz时，系统增益没有发生较明显的起伏，系统的幅频特性近似为一条水平线；当输入信号的频率大于9MHz时，增益有所下降。

⑥当输入信号固定为30mV时，电压增益从0dB增加到60dB，步距为5 dB。

用示波器测得峰峰值，与理论值相比较，测试表格如下：
表4 电压增益测试表1
⑦当电压增益固定为20dB时，输入信号有效值从10mV增加到100 mV，步距为10 mV，测试表格如下：
综上所述，本设计达到设计要求。

5 总结
综合测试证明，本系统能完成赛题要求的所有任务，但在系统稳定性方面略有欠缺。

另外在硬件电路方面，我们通过大量的实验有效地抑制了零点漂移，使得系统的性能得到很大的改善。

另对显示功能进行了扩展，如在显示器上显示4*4键盘模型，此模型能直接反应当时的按键情况，而且，在彩色屏上用两分立表格分别显示基本部分和发挥部分指标要求，丰富了人机界面。

附录1：滤波器设计公式
SALLEN-KEY TOPOLOGY 结构的滤波器如图所示，其中 传递函数(Transfer Function)
22212s
C C R R )s R (R C 11
)(1211c c s A ωω+++=
令)(2111R R C a c +=ω
令21212
1C C R R b c ω=
查找Butterworth 特性滤波器归一化参数表得
4142.11=a 000.11=b
1.设计5MHz 巴特沃斯单位增益低通滤波器： 确定pF C 471= 由2C 的限制条件21
1124a b C C ≥=2124142.1000
.141047⨯⨯⨯-≈94pF 取定2C 的值为470pF
则2
12
11212121144C C f c c b c a c a R c π--=
=12
12612
1221221210
47010471054104701047000.14)10470(4142.1104704142.1------⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-⨯⨯-⨯⨯π
=50.5Ω
2
12
11212121244C C f c c b c a c a R c π-+=
=12
12612
1221221210
47010471054104701047000.14)10470(4142.1104704142.1------⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-⨯⨯+⨯⨯π
=906Ω
2.设计10MHz 巴特沃斯单位增益低通滤波器： 确定pF C 221=
由2C 的限制条件2
1
1124a b C C ≥=2124142.1000
.141022⨯⨯⨯-≈44pF 取定2C 的值为220pF
则2
12
11212121144C C f c c b c a c a R c π--=
=12
12612122122121022010221054102201022000.14)10220(4142.1102204142.1------⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-⨯⨯-⨯⨯π
=53.94Ω
2
12
11212121244C C f c c b c a c a R c π-+=
=12
12612
1221221210
47010471054104701047000.14)10470(4142.1104704142.1------⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-⨯⨯+⨯⨯π
=967Ω
附录2：源程序
附录3：参考文献
【1】《全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编》（2005）北京理工大学出版社
【2】《全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编》（2007）北京理工大学出版社
【3】童诗白华成英主编《模拟电子技术基础》（第四版）高等教育出版社
【4】《全国大学生电子设计竞赛教程——基于TI器件设计方法》黄根春周立青张望先编著电子工业出版社。