增益带宽可调放大器.docx

增益带宽可调放大器摘要：本系统是由前级稳定放大电路，程控增益放大电路，程控的低 通滤波器，功率放大电路，峰峰值显示和检测模块组成前级稳定放 大电路，由低噪声，单位增益稳定的OPA637实现程控增益放大电 路则是用VCA810,通过提供偏置电压来改变放大的倍数程控低通 滤波则是以控制Max5160来改变电阻值实现对两阶的巴特沃斯低通 滤波器截止频率的调整,功率放大电路则是用THS3091峰峰值显 示和检测，通过有效值采集芯片AD637，使系统输入为正弦波时，输 出电压的峰峰值和有效值的数字显示功能关键字：可变增益放大器，程控滤波器，THS3091，AD637目录一、系统方案设计 31. 系统总体构成（设计框图） 32•方案比较 3（1） 缓冲放大部分 3（2） 压控增益电路 4（3） 程控滤波电路 4（4） 功率放大模块 4（5） 有效值采集模块 4二•数据分析 51•增益带宽积 52. 增益分配分析 53. 通频带内增益起伏控制 54. 抑制零点漂移 65. 放大电路稳定 6三•电路设计 61. 缓冲放大部分 62. 可控增益程控放大 .73. 程控滤波电路 74. 功率放大模块 85. 有效值检测电路 9三•测试方法与数据 91•测试仪器 92•测量方案与数据 10（一）可控电压增益$40dB测量及峰峰值的检测 10（二） 滤波器上限截止频率的检测 10（三） 超上限后增益衰减测量 11（四） 输出最大不失真峰峰值电压 113•结果分析 12五•参考文献 12六.附件 13一、系统方案设计1•系统总体构成（设计框图）信号经过缓冲放大区，实现10倍的稳定放大，然后经过用单片机控制的压控 增益电路和截止频率可控的滤波电路。

为了驱动50欧姆的负载电阻，使信号再 通过一个功率放大电路，然后接上负载电阻经过有效值检测电路，将所测输出 电压有效值，所控制的放大倍数以及所处的截止频率值，显示在LCD屏幕上430单片机2•方案比较（1）缓冲放大部分方案一：由三极管等分立元件组成的放大电路实现电压跟随,本方案由于主要采用 分立元件电路比较复杂，难于调试，尤其增益的定量调节不易实现方案二：输入缓冲放大部分采用运算放大器OPA67O,其增益宽带积为500MHz,可 以实现输入信号10倍的增益放大因而选择方案二2） 压控增益电路方案一：使用Max5160数字电位器和opa820，构成一个反馈阻值可控的放大电 路Opa820的增益带宽积为480MHz,可以满足放大电路增益到100倍时，3MHz 频率信号的通过方案二：VCA810是一个宽带、连续变化、电压控制增益放大器增益线性范围 为-40dB到+ 40dB在dB / V零差分输入电压提供了一个带有小的直流偏移误 差0V输出低输入噪声电压，确保在最高增益设置好输出信噪比因而使用方案二，采用VCA810作为压控增益，，电路简单3） 程控滤波电路方案一：采用RC滤波电路，Max5160数字电位器，改变R阻值，但RC滤波衰 减很大；方案二：利用高速宽带运放OPA690设计二阶巴特沃思滤波器，其通频带内的频 率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。

通过Max5160 来改变滤波电路的电阻参数，以实现控制截止频率因而采用方案二（4） 功率放大模块方案一：采用THS3001，可达增益要求，但其增益不可调方案二：THS3091是一种高电压，低失真，低噪声的放大器，宽带：210兆赫（G =2时，基因Rl = 100Q）,其性能高，精度高，性能好，能够实现很好的放大5） 有效值采集模块方案一：采用AD736，其转换精度为（mv±%RD）为0.5±0.5（max），低成本级的 AD736的精度与8位A/D转换的精度相同，高等级和AD736的精度高于8位A/D 的转换精度,且它的3dB带宽为0.4MHz，它的性能都不及AD637方案二：AD637是当前国际上转换精度最高及频带最宽的真有效值转换器， 转它的3dB带宽为8MHz，在电源为正负5V供电情况下，当输入信号的频率不大 于2MHz时，其输入信号的电压有效值在0.7V〜4V范围内能保证测量误差 经论证，选择AD637一擞据分析1•增益带宽积带宽增益积(GBP)是用来简单衡量放大器性能的一个参数，这个参数表示增益和 带宽的乘积按照放大器的定义，这个乘积是一定的按照题目发挥部分的要求，信号的通频带为20Hz〜5MHz,最大电压增益AV>40dB, 则增益带宽积为：5 MX 10^ (40/20) >500MHz,又输出最小不失真峰峰值10V , 我们采用分级放大的方式，使放大器整体增益超过40dB.尽量满足达到最小峰值 的发挥要求。

2.增益分配分析由于考虑到增益越大，频带宽度窄，整个结构的增益设计，经过前级的缓冲放大 区放大10倍(20dB), VCA810可以实现-40dB-+40dB压控增益，这里设计其可以 实现放大-26dB-+14dB的增益控制，功率放大电路则是采用6dB的增益控制3•通频带内增益起伏控制在设计放大器频率范围从DC到5M,在5M的通频带内增益平坦所以选择通带 最平坦的巴特沃紫滤波器来设计带宽OPA690在100MHz频带下的增益误差为 0.1dB,VCA810增益起伏为0.3dB, THS3091在±15V电源供电时，增益为2倍的 情况下，增益起伏小于0.1dB，均满足指标要求4•抑制零点漂移由于集成电路都有输入失调电压，经过高增益的放大使得输入失调电压放大通 过在前两级放大电路间的输入和反馈间加上电位器，来调节输入输出级之间的失 调电压5•放大电路稳定为了尽可能的减小干扰，避免自激，在布线和走向上有做一些考虑构建闭路环， 严格按照信号走向布线整个运放使用较粗的地线包围，缩短地线回路，并可吸 收高频信号减小噪声；各部分摆放位置按照信号走向，减小板与板之间的连线长 度三.电路设计1.缓冲放大部分使用0PA690，进行正向10倍放大。

OPA69O增益带宽积为500MHz，单位增益稳 定，满足放大10倍，上限的截止频率达到5MHz的要求通过一个正向反馈运算 放大的设计，加正负5伏的电源来供压2•可控增益程控放大VCA810在宽频带工作模式下，增益控制范围为-40dB—+40dB,且控制电压与增益 dB数成线性关系，满足增益控制要求采用12位的DAC，TLV5616与单片机连 接来产生不同幅值的模拟电压信号•再通过OPA234O方向放大电压，来控制 VCA810.3•程控滤波电路采用巴特沃斯二阶低通滤波电路，如下图所示由于巴特沃斯滤波器的原理,R1和C2构成一个低通级，R3和C1构成积分环节, 传递函数H(s):—险s 2 + SRRC 丄 + 丄 + 丄 +12 3 12 2 3 1K1 K2 K3—H s = 20 -/ =——0险耶卒iQ=((R1//R2//R3) 9R2 R3 C1将R3用数字电位器Max5160来代替，通过430单片机控制Max5160的输出阻值来 达到程控滤波4•功率放大模块末级采用高电压，低失真，电流反馈运算放大器THS3091增大驱动负载的能力 THS3091为功率放大芯片，输出电流250mA，其增益带宽积为420MHz，本系统设 计放大2倍，用正负12伏的电压做提供的电源，来满足输出的最大不失真峰峰 值可以达到10V。

5•有效值检测电路AD637是集成度高的整流滤波芯片，可以克服小信号的带来的误差，有较高的精 度AD637是AD公司RMS-DC产品中精度最高、带宽最宽的交直流转换电路，对 于1VRMS的信号，它的3dB带宽为8MHz,并且可以对输入信号的电平以dB形式 指示，另外，AD637还具有电源自动关断功能，使得静态电流从3mA降至45卩化， 可以测出任意波形交变信号的有效值，实验数据表明，在电源为正负5V供电情 况下，当输入信号的频率不大于2MHz时，其输入信号的电压有效值在0.7V〜4V 范围内能保证测量误差图像如下图所示：)1X1AX5IOOGNDJ-5V~~-5V14三.测试方法与数据1.测试仪器序号名称型号规格数量1DG1022任意波形发生器12普源DS1052E数字示波器13DF1731-SB3A直流稳压电源14UT39A数字万用表12•测量方案与数据（一）可控电压增益$40dB测量及峰峰值的检测测量方法：用函数发生器产生lKHz，峰峰值为27mV的正弦信号，通过调节单片 机上的按键，来控制增益放大倍数，并做计数测量输入峰峰 值（mv）所设计的增 益（dB/倍数）示波器显 示峰峰值/mV示波器显 示有效值/mV峰峰值测 量电路显 示值增益误差峰峰值测试误差270/ 126.319.6200%2%3/ 1.414027.8265%4%6/2.005234.7343%2%9/2.818057.2585%1%12/3.9811986.38510%0.3%15/5.62160112.61105%0.3%18/7.94214150.21460.1%0.7%21/11.22280193.91897%0.9%24/15.85412290.42873.7%1.2%27/22.39591418.64152.2%0.8%30/31.62822580.05713.7%1.7%33/44.691100769.77548.8%2%36/63.0917001204.311950.2%0.7%39/9023401655.816424.1%0.8%40/1002670188018671.1%0.6%（二）滤波器上限截止频率的检测测试方法：在系统放大倍数为40dB时，Vpp=27mV，调节信号发生源频率值，用示波器观察输出峰峰值达到最大值峰峰值0.707倍时，验证其上限截止频率范围。

urM 100thheChi転awflekfro^ TBS 1202B-EDU m如 m讪沁（三）超上限后增益衰减测量测量方法：调节系统截止频率到5MHz，输入的信号源Vpp为20mv，改变输入频 率，测量并记录输出的电压峰峰值信号输入频率输出峰峰值/mV5MHz8246MHz7527MHz6168MHz4809MHz42010MHz280（四）输出最大不失真峰峰值电压测量方式，在调到系统最大增益的条件下，不断增大信号源的输入电压，观察示 波器，看最大不失真电压：3•结果分析1. 电路系统的放大增益在误差允许的范围内，可以达到40dB；2. Av的在0—40dB内，可以通过用单片机控制并显示增益步进，该设计的增益 步为ldB3. 最大增益下，系统的上限的截止频率可以达到3MHz4. 放大电路的输出最大不失真峰峰值电压达到7V5. 峰峰值测量并显示模块。