宽带放大器设计.ppt

宽带放大器设计 (2003年全国大学生电子设计竞赛B题),,一、任务设计并制作一个宽带放大器二、要求1．基本要求(1)输入阻抗≥1k；单端输入，单端输出；放大器负载电阻600  2)3dB通频带10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz频带内，增益起伏≤1dB3)最大增益≥40dB，增益调节范围10～40dB(增益值6级可调，步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB)，需显示预置增益值4)最大输出电压有效值≥3V，数字显示输出正弦电压有效值5)自制放大器所需的稳压电源题目要求,二、要求2．发挥部分 (1)最大输出电压有效值≥6V (2)最大增益≥58dB(3dB带宽10kHZ～6MHz，在20kHz～5MHz频带内增益起伏≤1dB)，增益调节范围10～58dB(增益值9级可调，步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB)需显示预置增益值 (3)增加自动增益控制(AGC)功能，AGC范围≥70dB，在AGC稳定范围内输出电压有效值应稳定在4．5V≤Uo≤5．5V内(详见说明4) (4)输出噪声电压峰一峰值Vp-p≤0.5V (5)进一步扩展频带、提高增益、提高输出电压幅度、扩大AGC范围、减小增益调节步进间隔。

(6)其他题目要求,三、评分标准 论文50分，完成基本要求制作部分50分，发挥部分50分四、说明(1)基本要求部分第(3)项和发挥部分第(2)项的增益步进级数对照表见下表2)发挥部分第(4)项的测试条件为：输入交流短路，增益为58dB题目要求,四、说明(3)宽带放大器幅频特性测试框图如图9．4．1所示4)AGC电路常用在接收机的中频或视频放大器中，其作用是当输人信号较强时，使放大器增益自动降低；当信号较弱时，又使其增益自动增高，从而保证在AGC作用范围内输出电压的均匀性，故AGC电路实质是一个负反馈电路要求输出电压有效值稳定在4．5V≤Uo≤5．5V范围内，即UOL≥4．5V、UOH≤5．5V题目要求,四、说明,(4) 发挥部分第(3)项中涉及到的AGC功能的放大器的折线化传输特性示意图如图所示定义： AGC范围=20lg(Vs2／Vs1) – 20lg(VOH／VOL)(dB),题目要求,题目分析,对原题基本要求和发挥部分要求进行分析归类，本系统要完成的功能和技术指标归纳如下： (1)输入阻抗≥1kQ，单端输入 (2)输出阻抗=600，单端输出，输出电压有效值Uo,并显示： Uomax≥3V(基本要求) Uomax ≥6V(发挥部分) Uomax ≥ 9V(进一步发挥) (3)3dB通频带：10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz频率内增益起伏≤1dB(基本要求)；进一步展宽通频带(发挥部分)。

题目分析,(4)增益、增益控制范围、步进及误差： 最大增益≥40dB，增益调节范围10～40dB，步进间隔6dB，误差≤2dB，需要显示预置值(基本要求) 最大增益≥58dB，增益调节范围10～58dB，步进间隔6dB，误差≤2dB，需要显示预置值(发挥部分) 进一步提高增益，进一步扩大增益调节范围，减小步进间隔(发挥部分) (5) AGC范围：≥70dB不扩展(发挥部分) (输出电压有效值稳定在4．5V≤Uo≤5．5V)(6)输出噪声电压峰一峰值Vp-p≤0.5V(7)自制放大器所需的稳压电源(8)其他,一、总体方框图及指标分配 本系统原理方框图如图所示，由前置放大器、中间放大器、末级功率放大器、控制器、真有效值测量单元、键盘、 显示器及自制稳压电源等组成方案论证及比较,一、总体方框图及指标分配其中前置放大器、中间放大器、末级功率放大器构成了信号通道其主要技术指标分配见下表本设计有三个重点和难点：一是增益控制；二是自动增益AGC控制；三是末级功率放大器的设计方案论证及比较,二、增益控制部分方案一：采用数字电位器取代反馈电阻的方法 中间放大器和末级功率放大器均采用电压负反馈电路，通过改变反馈电阻来改变放大器的增益。

例如采用1024个滑动端位置的数字电位器X9110或X9111该方案采用两级控制比较麻烦方案二：采用D／A集成芯片的方法 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，输出Uout=Dn×Uref／210，其中Dn为10位数字量输入的二进制值，可满足210=1024档增益调节，满足题目的精度要求方案论证及比较,方案论证及比较,二、增益控制部分方案二：采用D／A集成芯片的方法AD7520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，故可用来实现信号的程控衰减二、增益控制部分方案二：采用D／A集成芯片的方法 但AD7520对输入参考电压Uref有一定幅度要求，为使输入信号在毫伏与伏之间每一数量级都有较精确的增益，最好使信号在到达AD7520前经过一适当的幅度放大调整，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，带宽只有几千赫兹不能满足频带要求方案论证及比较,二、增益控制部分方案三：采用可控增益放大器AD603的方法 根据题目对放大电路增益可控的要求，考虑直接选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，加在其梯形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，易于数字化处理方案论证及比较,二、增益控制部分方案比较：因方案一调整麻烦，方案二的带宽达不到题目要求，方案三能满足题目要求，故选方案三方案论证及比较,三、自动增益控制部分 增益控制部分选定采用可控增益放大器AD603AD603内部结构方框图如图所示。

由增益控制界面、精确衰减器和固定增益放大器三部分组成当引5脚与引7脚短路时，固定增益放大器的电压放大倍数为Au=1+694/20=35.7=31(dB),方案论证及比较,三、自动增益控制部分整个AD603的增益为40Ug+10，当Ug在-0.5～+0.5V范围内改变时，增益控制范围在-10～30dB根据题目发挥部分的要求，最大增益要求大于58dB，显然一级AD603满足不了要求，必须选用2片串联构成增益控制放大器其二级电压放大增益按下式计算 Au=80Ug+20(dB) 当Ug在-0.5~+0.5V范围内变化时，Au的变化范围为一20～60dB，完全可以满足题目关于增益的要求 下面重点讨论如何利用AD603实现自动增益控制(AGC)方案论证及比较,方案论证及比较,方案一： 系统信号主导通道由三个部分构成并设前置放大倍数为Au1=1，末级功率放大器放大倍数Au3=10，中间放大器的放大倍数Au2=10(1+4Ug)，其系统总电压放大倍数为Au= Au1 Au2  Au3 =10(2+4Ug) ，于是Uo=Ui 10(2+4Ug) 一般而言，Ui是未知的，而Uo通过真有效值电路可以测量得到，而测得Uo时Ug也是预置的(已知的)。

于是可以算得Ui当时值，即Ui=Uo /10(2+4Ug) 根据题目要求，AGC要求输出电压稳定在4.5V~5.5V 此时，令Uo=5V算出对应的控制电压值Ug三、自动增益控制部分,此时，由单片机控制输入一个新的控制电压Ug给增益可控AD603，便在输出端得到一个稳定的电压值5V 其控制过程如下： 设定一个数字量D — D／A转换成Ug — 测量输出电压真有效值Uo — 计算即时的Ui值—计算值Uo=5V时对应的Ug的数值—由控制器输入Ug的值—得到Uo=5V 若输入电压Ui改变了，Uo也会改变，当Uo超过4.5V~5.5V时，立即按上述过程对Ug进行修正，使Uo稳定在5V左右方案论证及比较,三、自动增益控制部分,方案二： 由方案一知，Ui的数值是由控制器计算得到的如果Ui的值能实时测出，即时地控制电压值Ug可以立即算出在计算出的Ug控制下输出Uo为恒定值5V 但是AD603测量小信号时会带来较大的误差解决的办法是先将输人的小信号经过(XI、X10、X100)放大，放大到AD603可以接受的范围方案论证及比较,三、自动增益控制部分,方案比较： 因为输出电压有效值要求测量，输入电压有效值不要求测量，若采用方案二会增加一些硬件工作量，故选择方案一。

根据赛题要求，放大器通频带从10kHz～6MHz，单纯用音频或射频放大的方法来完成功率输出，要做到6V有效值输出难度较大，而用高电压输出的运放来做又不太现实，因为市场上很难买到宽带功率运放这时候可以采用分立元件完成方案论证及比较,四、功率输出部分(末级功率放大器),方案论证及比较,方案一： 利用高速ADC对电压进行采样，将一周内的数据输入单片机并计算其均方根值，即可得到电压有效值，即 此方案具有抗干扰能力强、设计灵活、精度高等优点，但调试困难，高频时采样难且计算量大，增加了软件的难度五、测量有效值部分,方案二： 对信号进行精密整流并积分，得到正弦电压的平均值，再进行ADC采样，利用平均值和有效值之间的简单换算关系，计算出有效值并显示只用了简单的整流滤波电路和单片机就可以完成交流信号有效值的测量但此方法对非正弦波的测量会引起较大的误差方案论证及比较,五、测量有效值部分,方案三： 采用集成有效值／直流变换芯片，直接输出被测信号的真有效值这样可以实现对任意波形的有效值测量 变换芯片选用AD637AD637是有效值／直流变换芯片，它可测量的信号有效值可高达7V，精度优于0.5％，且外围元件少，频带宽。

该方案硬件、软件简单，精度也很高，但不适用于高于8MHz的信号方案比较： 方案三硬件易实现，并且8MHz以下测得的有效值的精度可以保证，故选择方案三方案论证及比较,五、测量有效值部分,系统硬件设计,经过上述的方案论证，并结合题目的任务与要求，可构思如下系统整体方框图图中将输入缓冲、60MHz宽带放大器放在一个屏蔽盒内，功率放大器放在另一个屏蔽盒内中间采用同轴电缆相连，目的在于抗干扰由于AD637的输入电阻只有100，必须加入输入缓冲部分用以提高输入阻抗；另外前级电路对整个电路的噪声影响非常大，必须尽量减小噪声故采用高速低噪声电压反馈型运放OPA642作前级隔离，同时在输入端加上二极管过压保护下图为输入缓冲和增益控制电路系统硬件设计,。