寬帶直流放大器的制作_圖文

1、競(jìng)賽園地CONTEST 作 者王 康胡航宇耿東晛指導(dǎo)老師陳祝明2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽全國(guó)一等獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)作品寬帶直流放大器一 、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)保證。最后一部分是功率放大器，我們采用運(yùn)放THS3001，其壓擺率高，且能支持 15V的供電, 最具特色的是我們采用浮電源技術(shù)將輸出的電壓擴(kuò)壓, 再利用場(chǎng)管實(shí)現(xiàn)其輸出電流擴(kuò)流, 就能實(shí)現(xiàn)功率到達(dá)2W。通過(guò)單片機(jī)AT89S52控制既實(shí)現(xiàn)了放大器帶寬和電壓增益AV 可預(yù)置并顯示又降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本。本系統(tǒng)效率高，成本低，工作可靠穩(wěn)定。1.系統(tǒng)總體方案根據(jù)題目要求, 本系統(tǒng)總共分為四大部分：第一部分輸入信號(hào)放大模塊通過(guò)OPA2690雙運(yùn)放實(shí)現(xiàn)對(duì)有效值10m

2、V 輸入小信號(hào)放大10dB 的功能，使輸入信號(hào)有效值達(dá)到30.16mV。第二部分為分擋濾波模塊，題目要求放大器帶寬可預(yù)置，至少得設(shè)計(jì)5MHz，10MHz兩個(gè)低通濾波器, 我們分別設(shè)計(jì)了5MHz，10MHz的LC 巴特沃茲低通濾波器，通過(guò)單片機(jī)控制繼電器可以切換擋位以達(dá)到分擋濾波功能。第三部分為-40dB 40dB 的程控放大，一級(jí)VCA810理想情況下放大可達(dá)-40dB 40dB，但考慮到外界環(huán)境的影響和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們?cè)O(shè)計(jì)兩級(jí)VCA810級(jí)聯(lián)的形式來(lái)得到-40dB 40dB 的放大，而且在其頻率帶寬范圍內(nèi)，可以保證其幅頻曲線穩(wěn)定，為后級(jí)的功率放大電路穩(wěn)定提供了2.系統(tǒng)總體框圖（見(jiàn)圖1）圖1

3、3. 理論分析及計(jì)算（1） 集成運(yùn)放擴(kuò)壓電路原理圖15b 探測(cè)節(jié)點(diǎn)單片機(jī)控制部分原理圖2010 VOL.07競(jìng)賽園地CONTEST 集成運(yùn)放擴(kuò)壓電路如圖2所示。當(dāng)輸入信號(hào)Vi 為0時(shí), 輸出信號(hào)Vo 也為0。兩個(gè)二極管的VB1=+15V,VB2=-15V，集成運(yùn)放的正負(fù)電源端分別為+14.3V和-14.3V, 它之間壓差為28.6V, 加入信號(hào)Vi 后, 兩二極管基極電位分別為:，變化, 但效果不明顯。采用加入直流偏置調(diào)節(jié)零偏, 此方法可以放大交流。（5）放大器穩(wěn)定性放大器的穩(wěn)定性是指放大器在其帶寬范圍內(nèi)幅頻曲線的穩(wěn)定性。提高放大器的穩(wěn)定性, 可以采用相位提前補(bǔ)償?shù)姆椒? 增加其零點(diǎn)，抵消極點(diǎn)

4、來(lái)實(shí)現(xiàn)。4. 硬件電路設(shè)計(jì)以及方案比較（1）前級(jí)輸入信號(hào)放大模塊按題目要求對(duì)10mV 有效值以下的小信號(hào)經(jīng)行放大，要求對(duì)信號(hào)的干擾要小，所以必須采用一定方法減小對(duì)采集信號(hào)的干擾。采用以下幾種方法：前級(jí)采用低噪聲高共模抑制比運(yùn)放OPA2690，最小可放大1mV 有效值信號(hào)?？刹扇?duì)前級(jí)加屏蔽盒，減少外界環(huán)境電磁波干擾。與Vi 為0時(shí)的靜態(tài)情況幾乎一樣, 但經(jīng)擴(kuò)壓后,Vo 輸出可以達(dá)到 24V。通過(guò)浮電源技術(shù)我們可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的擴(kuò)壓。（2）帶寬增益積(GBP帶寬增益積是衡量放大器性能的一個(gè)參數(shù)，這個(gè)參數(shù)表示的是增益和帶寬的乘積，即GDP A V ×BW，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)，最大電壓增益為+6

5、0dB，也就是+1000V/V，帶寬為10MHz，根據(jù)上式可得整個(gè)系統(tǒng)的最大帶寬增益積為10GHz。（3）通頻帶內(nèi)增益起伏控制隨著頻率的增高，放大器的增益會(huì)隨之下降，可以通過(guò)補(bǔ)償電容來(lái)添加極點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償和增益補(bǔ)償，這樣就可以將放大器的增益在通頻帶內(nèi)的起伏控制在最小范圍內(nèi)。（4）抑制直流零點(diǎn)漂流零點(diǎn)漂移現(xiàn)象是輸入電壓為零但輸出電壓不為零的現(xiàn)象，其產(chǎn)生的主要原因是溫度漂移使得半導(dǎo)體元器件的參數(shù)變化, 致使輸出電壓不為零。抑制零點(diǎn)漂移的方法有：利用超級(jí)伺服電路將零點(diǎn)漂移強(qiáng)制拉回零, 但此方法不能放大直流信號(hào)。采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ脽崦粼?lái)抵消放大管的采用光電耦合器將送給DA0832以及繼

6、電器的數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)徹底隔離，減小數(shù)字電路噪聲對(duì)模擬放大的干擾, 電路如圖3。（2）程控放大模塊由于題目要求放大范圍在060dB 可調(diào)放大，必須采用程控增益放大的方法，并且動(dòng)態(tài)變化范圍有60dB，而題目又要求輸出幅度達(dá)到10V 有效值，并驅(qū)動(dòng)50負(fù)載，使得最后一級(jí)放大倍數(shù)固定，因此必須對(duì)前級(jí)放大的信號(hào)經(jīng)行一定的衰減才能夠達(dá)到0dB 輸出。對(duì)于程控放大有以下幾種方案：方案一：用兩級(jí)AD603實(shí)現(xiàn)-40dB 40dB 的程控放大。此方案雖然簡(jiǎn)單，但由于放大頻率范圍從直流到15MHz，使得放大器輸入失調(diào)電壓要小，而AD603輸入失調(diào)電壓可達(dá)30mv，并且隨放大倍數(shù)不同而不同，再經(jīng)過(guò)后級(jí)放大直流漂

7、移顯得嚴(yán)重。方案二：采用高速低零偏的放大器，加D/A轉(zhuǎn)換電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成AD603程控放大原理。此方法可以有效解決失調(diào)電壓?jiǎn)栴}，但電路實(shí)現(xiàn)對(duì)放大器及D/圖3圖349競(jìng)賽園地CONTEST A 轉(zhuǎn)換器要求均較高。方案三：用兩級(jí)VCA810級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)-40dB 40dB 的程控放大。VCA810具有低失調(diào)電壓，一級(jí)放大倍數(shù)最大范圍可達(dá)-40dB 40dB，并且外圍電路簡(jiǎn)單。但由于單級(jí)放大倍數(shù)過(guò)大容易引起自激，故兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大。方案比較：方案一雖然簡(jiǎn)單，但不適應(yīng)直接耦合方式的放大器電路。方案二雖然效果較好，但實(shí)現(xiàn)有一定難度。方案三雖然需要兩級(jí)級(jí)聯(lián)，但放大效果好，電路簡(jiǎn)單，并且可提升空間大。（3）功率放大模塊

8、方案一：用BUF634來(lái)實(shí)現(xiàn)功率放大。方案二：利用集成運(yùn)放擴(kuò)壓和MOSFET 實(shí)現(xiàn)擴(kuò)流來(lái)實(shí)現(xiàn)放大。方案比較: 方案一中, 雖然BUF634外圍電路簡(jiǎn)單, 容易實(shí)現(xiàn), 但BUF634的最大輸出功率為1.8W, 達(dá)不到題目發(fā)揮部分2W 的要求；方案二中, 該方案雖然實(shí)現(xiàn)較為麻煩, 但是成本低廉, 效果較好，故采用方案二。（4）自制電源模塊方案一：采用開(kāi)關(guān)電源。方案二：采用線性穩(wěn)壓電源。方案比較：由于開(kāi)關(guān)電源制作雖然效率高但需花費(fèi)時(shí)間較多，并且紋波較大，故采用制作簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓電源。并且要求電源在正負(fù)30V 附近。（5）分檔濾波模塊為了實(shí)現(xiàn)放大器帶寬可設(shè)置, 設(shè)計(jì)了兩路濾波器, 使得放大器帶寬分別為

9、5MHz 和10MHz, 通過(guò)單片機(jī)控制繼電器來(lái)切換檔位以得到不同帶寬的幅頻曲線。（6） 單片機(jī)及液晶顯示模塊由于控制與處理部分較為簡(jiǎn)單, 使用AT89S52完全可以實(shí)現(xiàn)功能, 液晶顯示采用1602.（7）軟件設(shè)計(jì)流程（見(jiàn)圖4）生自激現(xiàn)象，芯片溫度迅速上升，工作進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，這不是我們所想要的。為解決自激，使得放大器工作在更高的頻率，工作更穩(wěn)定，必須加入相位補(bǔ)償和做好電源退耦。圖2中各值為實(shí)際調(diào)試時(shí)不斷更換試出的最佳值，最終工作頻率達(dá)到15MHz 依然工作穩(wěn)定，帶內(nèi)衰減很小。2.前級(jí)放大電路及程控放大電路由于本系統(tǒng)要把輸入信號(hào)放大60dB，所以前級(jí)的低噪聲就顯得尤為重要。實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，前級(jí)

10、如果有1mV 的波動(dòng)，則會(huì)引起后級(jí)的自激，系統(tǒng)很不穩(wěn)定。另外，系統(tǒng)要求在直流到10MHz 范圍內(nèi)帶內(nèi)起伏要足夠小，這就要求前級(jí)處理時(shí)幅頻特性要平穩(wěn)。所以，我們最后選擇了具有低噪聲和高帶寬特性的OPA2690做最前級(jí)的處理，把信號(hào)放大到適合增益可變放大器處理的幅度，同時(shí)加電容進(jìn)行補(bǔ)償，盡量減小帶內(nèi)起伏。由于OPA2690是雙運(yùn)放，于是第一級(jí)做跟隨器同時(shí)具有匹配阻抗的效果，第二級(jí)放大10dB 方便后級(jí)處理，如圖5（a）所示。程控放大模塊是系統(tǒng)的核心之一，同時(shí)這里也是數(shù)字和模擬結(jié)合的地方。為了減少數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾，我們采用光電耦合器將數(shù)字和模擬徹底分開(kāi)，實(shí)際調(diào)試發(fā)現(xiàn)，效果明顯。另外，剛開(kāi)始制

11、作時(shí)，兩級(jí)之間沒(méi)有進(jìn)行50歐姆的阻抗匹配，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，容易引起系統(tǒng)的自激，而阻抗匹配后效果變好，如圖5（b）所示。二、制作及調(diào)試1. 集成運(yùn)放擴(kuò)壓電路在實(shí)際制作時(shí)發(fā)現(xiàn)雖然THS3001的壓擺率足夠高，但是實(shí)際情況下在10MHz 附近改電路便產(chǎn)2010 VOL.07競(jìng)賽園地 CONTEST 一對(duì)性能最好最合適的管子。開(kāi)啟電壓在4V 附近，于是用穩(wěn)壓管和電阻分壓組合，經(jīng)反復(fù)挑選電阻值使場(chǎng)效應(yīng)管恰好工作在甲乙類放大狀態(tài)。將前后級(jí)一起聯(lián)調(diào)時(shí)又發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，電路的頻響特性變得復(fù)雜，既存在自激，又存在高頻響應(yīng)特性下降。為繼續(xù)消除自激，在兩級(jí)連接處加入電阻R8,R9。為提升電路高頻特性，經(jīng)反復(fù)不斷加入電容，最后

12、C1C8構(gòu)成了補(bǔ)償電容。最終調(diào)試結(jié)果為R7,R8為并聯(lián)的兩個(gè)1k，C4,C3,C2,C1分別為121，121，501，501。C5,C6,C7,C8為對(duì)應(yīng)值。最終在蜂窩板上搭建效果十分好，用示波器FFT 觀察頻譜特性，從直流到13MHz,14MHz 附近均為一條直線。4.自制電源電壓經(jīng)過(guò)變壓器后輸出為有效值為24V 的交流，經(jīng)過(guò)整流橋后分別送入穩(wěn)壓芯片LM7824和LM7924中，通過(guò)穩(wěn)壓擴(kuò)壓電路將5.1V 穩(wěn)壓二極管分別與LM7824和LM7924相連使得輸出有效值穩(wěn)3.功率放大電路圖6為擴(kuò)壓及功放電路原理圖。由于手中有的性能較好的MOS 管僅有IRF610與IRF9610，但需配對(duì)好。于是

13、借用晶體管圖示儀花費(fèi)1個(gè)小時(shí)選出定為29.1V, 以供給主要模塊使用，原理圖如圖7所示。 圖中K1,K2,K3,K4為開(kāi)關(guān)，HEAT1,HEAT2為散熱片，D14為電源指示燈，穩(wěn)壓芯片兩端的為保護(hù)二極管。5.分擋濾波通過(guò)濾波軟件設(shè)計(jì)得到模型, 再經(jīng)過(guò)仿真后最終確定濾波器參數(shù)分別如圖8、9所示。設(shè)計(jì)這兩套濾波器的時(shí)候，我們選擇了濾波設(shè)計(jì)軟件AADE 來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)置濾波器的通帶頻率、截止頻圖751競(jìng)賽園地CONTEST 序號(hào)儀1圖8器名稱型號(hào)指GS/s采樣率100uHz40MHz標(biāo)雙蹤示波器數(shù)字合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器TDS1012B F40100MHz 帶寬2率以及通帶和截止頻帶的起伏大小，得到大概

14、的LC 模型。因?yàn)檐浖愕玫诫姼泻碗娙莸闹挡灰欢ㄊ瞧匠５乃芤?jiàn)到的值，我們根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)低通的傳遞函數(shù)進(jìn)行改變電感和電容的大小，再通過(guò)AADE 仿真濾波器波形，進(jìn)而更換適合的電感電容，最后經(jīng)過(guò)不停地調(diào)試，通過(guò)示波器觀察其幅頻曲線，最后得到理想的濾波器的成品。34三路直流穩(wěn)壓電源YB1732A 數(shù)字萬(wàn)用表DT92034 位半測(cè)試方案選擇:通過(guò)函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生直流和10MHz 以內(nèi)有效值10mV 的正弦波，通過(guò)雙蹤示波器分別觀測(cè)系統(tǒng)輸入和輸出信號(hào)的大小。（3）最大輸出電壓有效值測(cè)試：測(cè)試方案選擇：在增益為40dB 時(shí), 增大輸入信號(hào)幅度, 觀察最大不失真輸出信號(hào)幅度測(cè)試結(jié)果：Vipp=420mVVopp

15、=41.60V（4）通頻帶內(nèi)增益起伏測(cè)試測(cè)試方案選擇：以1MHz 為基準(zhǔn), 在增益為60dB 時(shí), 輸入峰峰值為20mV 信號(hào), 從DC 到4MHz(9MHz改變輸入信號(hào)頻率, 測(cè)出輸出信號(hào)幅度與放大60dB 時(shí)理論輸出幅度之比, 得到測(cè)試結(jié)果:04MHz 內(nèi)：平均0.8dB 09MHz 內(nèi)：平均1.4dB （5）放大器噪聲電壓測(cè)試測(cè)試方案選擇：在增益為60dB 時(shí), 將輸入端圖96.單片機(jī)及液晶顯示模塊由于該模塊設(shè)計(jì)程序并不復(fù)雜，故略。三、指標(biāo)測(cè)試方案以及測(cè)試結(jié)果（1）測(cè)試儀器清單見(jiàn)表1。（2） 放大器增益測(cè)試見(jiàn)表2。表2 測(cè)試結(jié)果 Fre Av0dB 5dB 10dB 15dB 20dB

16、25dB 30dB 35dB 40dB 45dB 50dB 55dB 60dB直流0.24.810.115.120.125.029.834.939.845.049.955.159.80.1Hz 0.15.110.215.120.125.130.035.039.945.150.155.16001Hz 0.15.210.315.220.225.030.135.140.145.150.255.160110Hz 0.44.910.215.220.025.230.135.040.145.050.255.0600100Hz 0.25.39.915.220.125.130.235.240.145.150.2

17、55.16021KHz 0.15.210.114.920.225.230.235.240.245.150.355.260210 KHz0.25.110.215.220.325.230.135.340.245.250.355.2602100 KHz0.15.210.015.220.325.130.035.240.145.350.255.16011MHz 0.24.99.815.019.924.830.034.839.744.550.054.659710 MHz0.44.89.714.719.724.629.634.739.544.449.354.35962010 VOL.07就業(yè)技能 JOBSE

18、EKERS 編者按 : 為了幫助初學(xué)者解決印制板設(shè)計(jì)中的一些技巧性問(wèn)題,從 2010 年第 2 期起,我們將刊登 "跟 我學(xué)做印制板"連載,詳盡地講解印制板設(shè)計(jì)制作中的各個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié).內(nèi)容的安排,以"講座"的形式刊出, 每期重點(diǎn)講解一個(gè)專題,整個(gè)內(nèi)容的重點(diǎn)在印制板的設(shè)計(jì),也涉及電原理圖設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些問(wèn)題等. 作 者 鄧祖樸 跟我學(xué)做印制板(6 如 選 擇" 英 制 " , (接上期 印制板設(shè)計(jì) 1.印制板設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備工作:建立設(shè)計(jì)文件 新建一個(gè)印制板設(shè)計(jì)文件,可以根據(jù)實(shí)際需要, 采用如下方法之一. (1使用向?qū)陆?PCB 文件 Protel 設(shè)計(jì)軟件提供了新建 PCB 板設(shè)計(jì)文件的 向?qū)? 點(diǎn)擊主工具欄"新創(chuàng)建任意文件" 按鈕(圖 1 或直接打開(kāi)工作文件面板(Files ,單擊"根據(jù)模板 新建"欄下的"PCB Board Wizard. ."選項(xiàng)(見(jiàn) 圖 2出現(xiàn)"新建電路板向?qū)?quot; , 對(duì)話框, 如圖 3 所示. 整個(gè)向?qū)в卸?個(gè)對(duì)話框,都比較 簡(jiǎn)單,這里就不貼 圖了,只做簡(jiǎn)要文 字說(shuō)明. 單擊下一步按 鈕進(jìn)入"選擇電路 圖1 新