全國賽--寬帶放大器設計報最終報

1、寬帶直流放大器（C題）作者：張悅龍 郭登五 王 坤賽前輔導教師： 文稿整理輔導教師：摘 要基于C8051F005單片機為控制器，設計并實現了一寬帶直流放大器，通過四級直接耦合放大，放大倍數為0-60dB，通頻帶為0-10MHz。通頻帶內增益起伏1 dB；由外置鍵盤實現增益可控預置，步距為5dB；由800*480彩色LCD同步顯示增益預置值和增益步進值；利用單個元器件的零點漂移特性，巧妙采用放大級正向、反向輸入端，有效的抑制了零漂。 AbstractBased on C8051F005 MCU for the controller, we designed and implemented the

2、 Broadband DC Amplifier. The Broadband DC Amplifier can amplify through four direct-coupled amplification of 0-60dB, and the pass band is 0-10MHz. The rising and fall of the pass band gain is 1 dB. It can achieve preset gain controling through the external keyboard with the step distance of 5dB. And

3、 it can display simultaneously the gain preset value and the gain step values through the 800 * 480 color LCD. The product suppresses effectively the zero drift by using the characteristics of the individual components of the zero drift and using the forward and reverse input of zoom-level.一、引言寬帶直流放

4、大器在科研中具有重要作用，它廣泛應用于低頻信號放大、波形發(fā)生器、視頻放大器等電路。本次設計完成的寬帶直流放大器要滿足如下要求： （1）輸入電壓有效值Vi10 mV，輸入電阻50W，在負載電阻為（502）W時，輸出電壓有效值Vo10V。系統(tǒng)的3 dB通頻帶在05MHz和010MHz之間變換，能預置并顯示通頻帶、放大倍數，放大倍數步進可調且可手動連續(xù)調節(jié)。在09MHz的通頻帶內，電壓增益起伏1 dB。（2）系統(tǒng)最大增益不小于60 dB，并且在增益為60 dB時，輸出噪聲電壓的峰峰值要不大于0.3V。系統(tǒng)所用電源自制，盡量降低制作成本并提高電源效率，系統(tǒng)的設計框圖如下圖1所示。圖1 寬帶直流放大器系

5、統(tǒng)框圖輸入信號通過前置放大器實現了輸入電阻50W的要求，經放大倍數最大為60dB、通頻帶為10MHz的中間級放大器，將信號放大至1000倍，再經過通頻帶選擇網絡實現放大器通頻帶預置，最后經末級放大器達到了輸出功率的指標要求。整個過程中，控制器控制電壓增益和通頻帶帶寬的預置輸入與顯示。二、方案設計1.設計思路為達到設計要求，放大器必須采用多級直接耦合連接方式，因此本次設計的關鍵在于抑制零點漂移和通頻帶的擴展，這恰是本設計的難點和重點，整個設計始終圍繞這兩點展開。2.方案論證與選擇通過以上分析我們擬定如下方案：方案一：以FPGA為主控制器，通過A/D轉換對輸入信號（）、中間級放大輸出信號(V2)以

6、及末級放大輸出信號(Vout)進行采樣，經過控制器計算出增益值（），將預置增益值Av與進行比較得出差值，主控制器以此差值為依據，控制中間級放大器和末級放大器的增益，最終實現預置輸入的目的，原理圖如下圖2所示。圖2 方案一原理框圖方案二：以C8051F005單片機為控制器，輸入信號通過前置放大、中間級放大，再經過通頻帶選擇網絡完成對通頻帶帶寬的選擇，由末級放大器輸出。通過鍵盤控制選擇通頻帶帶寬、電壓增益等參數，并由顯示器同步顯示增益預置值和增益步進值，原理框圖如下圖3所示。圖3 方案二原理框圖方案一通過對各級放大器輸出進行采樣、分析后，調整各級放大器的參數，得到滿足預置的參數要求。由于本次設計要

7、求的增益帶寬積較高，僅用一級放大不可能同時滿足增益和帶寬的要求，但若采用多級放大，各級間產生的零點漂移現象很難通過程序抑制。相比之下，方案二對硬件簡化，由單片機直接根據預置輸入，控制中間級放大和通頻帶選擇網絡獲得所需的增益帶寬積，中間級放大器產生的零點漂移，可以通過硬件電路之間的相互補償被抑制，可以較好的解決本次設計的重點和難點。且考慮到性價比，所以我們選擇方案二。3.系統(tǒng)硬件電路設計（1）前置放大電路前置放大電路使用電壓跟隨器實現，如圖4所示?？紤]到本系統(tǒng)的通頻帶為010MHz，為避免引入噪聲，其輸入阻抗必須限定在50W100W之間，若電壓跟隨器的阻抗為Rj，圖4電路的輸入阻抗為。實際電路取

8、Rk=100W,則50W。此前置放大電路還具有緩沖、隔離的功能，其電壓增益接近于1，運算放大器選用OPA642，此放大器的增益帶寬積為400MHz。（2）中間級放大電路本級放大器由固定增益模塊和增益控制模塊組成，增益達42dB，帶寬為12.5 MHz，實現增益從0dB到42dB可控，并能實現增益為5dB步進，如下圖5所示。 圖5 中間級放大原理圖增益帶寬積：OPA620集成運放的開環(huán)增益帶寬積為200MHz，為滿足系統(tǒng)最大通頻帶為10MHz的要求，由OPA620構成的單級閉環(huán)放大器的最大增益不能大于。由OPA620的幅頻和相頻特性（如下圖6所示）得，當單級閉環(huán)放大器的增益為20dB時，線性相位

9、為零的最大頻率約為3MHz10MHz，由此得出當單級閉環(huán)增益16dB時，通頻帶為12.5MHz，滿足通頻帶帶寬的設計要求。若同時獲得60dB電壓增益，至少需要四級放大。圖6 OPA620的幅頻和相頻特性第一級放大器，取R1=100W，R2 =100W，由公式 dB得R3=530W，Av1 =6.3倍；同理可得第二級放大器： R6 =630W， Av2 =6.3倍。零點漂移：在設計的60dB直接耦合放大器中，第一級的漂移經逐級耦合放大，其輸出信號將淹沒在漂移信號中，放大器無法正常工作。由實驗測得，單級OPA620產生的零點漂移是負漂移（見附錄1）。中放設計中我們抑制漂移的方法是，輸入信號從第一級

10、運放的正向端輸入，輸出至第二級運放的反向輸入端，且由上述計算可得二級放大倍數均為6.3倍，所用元件參數盡可能一致，這種方法可使相鄰兩級的漂移相互抵消，可達到抑制漂移的目的。增益控制模塊：在兩級6.3倍（16dB）單閉環(huán)放大器級聯后，再級聯一級可變增益放大器（AD603），以實現對電壓增益預置和步進的控制，如下圖7所示。AD603采用通頻帶為90MHz，增益為-10+30dB的典型接法，見附錄2所示。AD603增益與控制電壓的關系為AG（dB）=40Ug+10，輸入控制電壓Ug由AD603的1腳輸入，控制電壓范圍為-0.5+0.5。單片機可以通過D/A（將數字量轉換為對應的模擬電壓量Ug）來控制

11、AD603的放大倍數，中放的最大增益=31dB+16dB2。設計時Ug取值范圍為-0.50，從而實現增益從22dB到42dB可控，并能實現增益為5dB步進。圖7 增益控制模塊原理圖（3）末級放大當系統(tǒng)負載電阻為（502）W時，最大輸出電壓Vo10V，則由公式可得，系統(tǒng)輸出功率的最大值為。經前置放大和中放電路放大后，不具備驅動負載的能力，需經末級功率放大電路放大后才能達到系統(tǒng)對輸出功率的要求。參考音頻放大器中驅動級電路，考慮到負載電阻為（502）W，輸出有效值大于10V，末級采用二級三極管直接耦合功率放大器，如下圖8所示。末級放大電路的電壓增益在第一級，第二級采用了一對孿生功放管D669A和B6

12、49A（特征頻率fT=140MHz，Ic=1.5A）進行功率放大。整個電路設計有頻率補償，可對0到10MHz的信號進行線性放大，放大倍數，在實際制作過程中通過調節(jié)可變電阻R10調整反饋深度獲得20dB增益，使整個放大器的總增益為62dB，在10MHz以下的通頻帶內增益非常穩(wěn)定，可有效抑制通頻帶內增益起伏的變化。圖8 末級放大原理圖（4）各級增益控制通過以上論述可得，系統(tǒng)總增益可調范圍是42 dB62 dB，不能滿足題目的要求。利用兩組衰減網絡分別將系統(tǒng)增益衰減20 dB和42 dB，如下圖9所示，可實現系統(tǒng)增益分別在020 dB、22 42 dB和4262 dB間變化，再結合增益控制模塊實現了

13、系統(tǒng)增益手動連續(xù)可調、5 dB步進和預置。實驗測試得，經42 dB衰減網絡后，系統(tǒng)頻率特性仍較好。而經20 dB衰減網絡后，輸入信號頻率在1MHZ以上時，增益有所下降，為穩(wěn)定增益，在衰減電阻上并聯15pF的電容進行頻率補償。采用三組繼電器對增益范圍進行切換，由單片機的I/O口P2.0、P2.1和P2.2控制繼電器的動作。圖9 增益衰減網絡（5）通頻帶選擇網絡通過對繼電器L1和L2觸點的控制實現了系統(tǒng)通頻帶05MHz和010MHz兩個范圍預置，如下圖10所示。系統(tǒng)默認選擇10MHz通頻帶。通過鍵盤選擇通頻帶，當單片機的P0.5和P0.6口分別向三極管T1和T2的基極送高電平時，繼電器的觸點動作，

14、使輸入信號V2經5MHz的低通濾波器輸出，即實現了預置05MHz的通頻帶。圖10 通頻帶選擇網絡（6）電源模塊電源需提供單片機、顯示器、前置放大器、中間級放大器和末級放大器所需的不同電壓。電源電路原理圖如附錄3所示，三端穩(wěn)壓芯片7805、7905、LM317和LM337起穩(wěn)壓作用，2200uf電解電容、100uf和0.33uf瓷片電容起濾除紋波作用，輸出分別為、提供給各單元電路。4.系統(tǒng)軟件設計軟件流程圖如下圖11所示：圖11 系統(tǒng)軟件流程圖三、設計實現1抑制直流零點漂移實際設計電路時，輸出漂移較為明顯，由實驗測得，單級OPA620產生的零點漂移是負漂移。中放設計中我們抑制漂移的方法是，輸入信

15、號從第一級運放的正向端輸入，輸出至第二級運放的反向輸入端，且由放大倍數相同和選用元件參數盡可能一致，這種方法可使相鄰兩級的漂移相互抵消，可達到抑制漂移的目的。2通頻帶內增益起伏控制及放大電路的穩(wěn)定性設計電路電壓增益在通頻帶內波動較明顯，通過對各級放大電路進行頻率補償，在電源端增加去耦0.1uF和100uF電容，電容電阻的引線部分要盡可能的短，并且采用屏蔽盒對系統(tǒng)進行多點屏蔽。實驗證明，可有效抑制通頻帶內增益起伏的變化，同時增加了放大器的穩(wěn)定性。四、系統(tǒng)測試1測試條件和測試儀器設備系統(tǒng)容易受到溫度和強磁場的干擾，測試時必須在室溫且無強磁場干擾的條件下進行，并要確保供電電源的穩(wěn)定性，測試儀器設備如

16、下表1所示。表1 測試使用的儀器設備序號名稱、型號、規(guī)格數量備注出廠編號1Tektronix1TektronixC0390702函數信號發(fā)生器 EE164281南京新聯電子設備有限公司0013983LY1211 頻率特性測試儀 1徐州龍宇電子儀器有限公司10514數字萬用表 UT58E1UNI-T30500306335高頻毫伏表 AS1053A1上海愛儀電子設備有限公司2測試方法和測試結果 輸入電阻的測試電路如附錄4所示。當R=0時，在輸出電壓波形不失真的情況下，用交流毫伏表測出輸出電壓U01；當R取固定電阻時，測出輸出電壓U02，則有 調整測試電壓Us使輸出電壓UO1=10V,改變R的阻值，

17、取多次測量的平均值。 表2 輸入電阻測試表R/UO1/VUO2/VRi/133106.951.6243106.350.5351105.951由上表的測試結果得，輸入電阻約為50，滿足輸入電阻50的要求。 最大輸出電壓正弦波有效值的測試。輸入端Vin加入頻率為500KHz的正弦波，調節(jié)輸入電壓有效值（限制Vin10 mV），測得輸出最大不失真正弦波有效值Vo=10.6V，滿足基本部分Vo2V和發(fā)揮部分Vo10V的要求。 通過按鍵的切換可實現電壓增益AV的預置和步進并能顯示，預置范圍為060dB，步距為5dB，并且可手動連續(xù)調節(jié)電壓增益，放大器的帶寬也能滿足5MHz和10MHz 兩點預置和通頻帶帶

18、寬的顯示。 輸出噪聲電壓測量。增益調到60dB檔，輸入端短路，測得輸出電壓峰-峰值在0.220.26V間波動，滿足發(fā)揮部分要求的VONPP0.3V的要求。 頻率特性測量。增益設為60dB檔，輸入端加有效值為10mV的電壓信號，因為信號源不能保證在不同的頻段內有相同的有效值，因此在每次測試前，必須調節(jié)信號源分有效值，使其穩(wěn)定在10mV左右，再測量輸出信號的幅值，并帶入公式算的實際電壓增益，測試結果如下表3所示。表3 頻率特性測試表頻率/Hz0.220305080200600900輸出/V（有效值）9.1210.1010.1010.1010.110.2310.3510.10增益/dB59.260.160.160.160.160.260.360.1頻率/kHz120305080200600900輸出/V（有效值）10.2310.1010.2310.2310.2310.2310.2310.23增益/dB60.260.160.260.260.260.260.260.2頻率/MHz1357891011輸出/V（有效值）10.1010.1010.109.019.549.337.945.62增益/dB60.160.160.159.159.659.45855由上表測試結果得，當輸入信號頻率為020Hz時，系統(tǒng)增益有起