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1、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10kHz6MHz，在20kHz5MHz频带内，增益起伏1dB。(3)最大增益40dB，增益调节范围1040dB(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10kHZ6MHz，在2
2、0kHz5MHz频带内增益起伏1dB)，增益调节范围1058dB(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45VUo55V内(详见说明4)。(4)输出噪声电压峰一峰值Vp-p0.5V。(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。,(
3、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941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45VUo55V范围内，即UOL45V、UOH55V。,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(Vs2Vs1)20lg(VOHVOL)(d
4、B),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：Uomax3V(基本要求)Uomax 6V(发挥部分)Uomax 9V(进一步发挥)(3)3dB通频带：10kHz6MHz，在20kHz5MHz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1040dB，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1058dB
5、，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45VUo55V)(6)输出噪声电压峰一峰值Vp-p0.5V(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
6、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DA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DA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DA转换芯片，输出Uout=DnUref210，其中Dn为10位数字量输入的二进制值，可满足210=1024档增
7、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DA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DA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
8、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DA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4
9、0dB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AD603。AD603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
10、益为40Ug+10，当Ug在-0.5+0.5V范围内改变时，增益控制范围在-1030dB。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的变化范围为一2060dB，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
11、(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4.5V5.5V。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 DA转换成Ug 测量输出电压真有效值Uo 计算即时的Ui值计算
12、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4.5V5.5V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
13、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10kHz6MHz，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
14、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AD637。AD637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
15、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,一、输入缓冲和增益控制部分,输入部分先用电阻分压衰减，
16、再由低噪声高速运放OPA642放大。OPA642电压峰峰值不超过其极限值(2V)。其输入阻抗大于2.4k。OPA642的增益带宽积为400MHz，这里放大倍数为3.4倍，100MHz以上信号被衰减。输入输出口P1、P2由同轴电缆连接，以防止自激。级间耦合采用电解电容并联高频瓷片电容的方法，兼顾高频和低频信号。,系统硬件设计,一、输入缓冲和增益控制部分,增益控制部分装在屏蔽盒中，盒内采用多点接地和就近接地的方法避免自激，部分电容、电阻采用贴片封装，使得输入级连线尽可能短。该部分采用AD603典型接法中通频带最宽的一种，通频带为90MHz，增益为-10+30dB，输入控制电压Ug的范围为-0.5+
17、0.5V。AD603接成90MHz带宽的典型电路见下图。,系统硬件设计,一、输入缓冲和增益控制部分,增益和控制电压的关系为AG(dB)=40Ug+10，一级的控制范围只有40dB，使用两级串联，增益为-2060dB，满足题目要求。由于两级放大电路幅频响应相同，所以当两级AD603串联后，带宽会有所下降，串联前各级带宽为90MHz左右，串联后总的3dB带宽应对应单级放大电路1.5dB的带宽，根据幅频响应曲线可得出级联后的总带宽为60MHz。,系统硬件设计,一、输入缓冲和增益控制部分,参考音频放大器中驱动级电路，考虑到负载电阻为600，输出有效值大于6V，而AD603输出最大有效值在2V左右，故选
18、用两级三极管进行直接耦合和发射结直流负反馈来构建末级功率放大，第一级进行电压放大，整个功放电路的电压增益在第一级，第二级进行电压合成和电流放大，将第一级输出的双端信号变成单端信号，同时提高通频带负载能力，如果需要更大的驱动能力则需要在后级增加三极管跟随器，实际上加上跟随器后通频带急剧下降，原因是跟随器的结电容被等效放大，当输入信号频率很高时，输出级直流电流很大而输出信号很小。使用两级放大已足够满足题目的要求。,系统硬件设计,二、功率放大部分,选用NSC公司的2N3904和2N3906三极管(特征频率fT=250300MHz),可达到25MHz的宽带。这部分实际上属功率合成器。,系统硬件设计,二
19、、功率放大部分,系统硬件设计,本电路采用电压串联负反馈电路，其放大倍数为整个功率放大电路为Aud10。通过调节R9来调节增益。,二、功率放大部分,系统硬件设计,这一部分由51系列单片机、AD、DA和基准源组成。使用12位串行AD芯片ADS7816T、ADS7841(便于同时测量真有效值和峰值)和12位串行双DA芯片TLV5618。基准源采用带隙基准电压源MCl403。方框图如图所示。,三、控制部分,系统硬件设计,四、稳压电源部分,系统硬件设计,五、抗干扰措施,系统总的增益为080dB，前级输入缓冲和增益控制部分增益最大可达60dB，因此，抗干扰措施必须要做得很好才能避免自激和减小噪声。可采用下
20、述方法减小干扰和噪声，避免自激：(1)在排版过程中，将输入缓冲级、增益控制部分和功放部分按顺序放置形成一条龙。输入插孔与输出插孔分别在印制板的两端引出。输入、输出均采用同轴电缆连接。各级分别装在屏蔽盒内，防止级间及前级与末级之间的电磁耦合，有利于系统工作稳定，避免自激。,系统硬件设计,五、抗干扰措施,(2)电源隔离，各级供电采用电感隔离，输入级和功放级采用隔离供电，输入级电源靠近屏蔽盒就近接上1000F电解电容，盒内接高频瓷片电容到地，通过这种方法可避免低频自激。(3)地线隔离，各级地线要分开，特别是输入级、增益控制部分与功放级、控制部分的地线一定要分开，且用电感隔离。防止末级信号和控制部分的
21、脉冲信号通过公共地线耦合至输入级。在输入级，将整个运放用较粗的地线包围，除了信号走线、电源线外，其余部分均可以作为地线，形成大面积接地，这样可吸收高频信号减小噪声。在增益控制部分和功放部分也可以采用此方法。,系统硬件设计,五、抗干扰措施,(4)数模隔离，数字部分和模拟部分除采用电源和地线隔离外，还要注意数电部分的脉冲信号通过空间感应至模拟部分。这就提示我们，数电部分和模拟部分要有一定的距离，甚至模拟部分要整个屏蔽起来。(5)输入级和增益控制部分要选择噪声低的元器件，例如电阻一律采用金属膜电阻。避免内部噪声过大。(6)级间耦合在有条件的情况下最好采用直接耦合，如需电容耦合，必须采用电解电容与高频
22、瓷片电容并联进行耦合，避免高频增益下降。(7)其他，建议同一级放大部分的地线与电源线接在同一点上，去耦电感和电容参数不要相同等。,系统软件设计及流程图,本系统单片机控制部分采用反馈控制方式，通过输出电压采样来控制电压增益。,系统调试和测试结果,1测试方法 将各部分电路连接起来，先调整0dB，使输出信号幅度和输入信号幅度相等。接上600的负载电阻进行整机测试。2测试结果 输入阻抗。电路的设计保证输入阻抗大于2.4k电阻，满足题目要求。输出电压有效值测量。输入加100kHz正弦波，调节电压和增益测得不失真最大输出电压有效值为930950V，达到题目大于6V的要求。输出噪声电压测量。增益调到58dB
23、，将输入端短路时输出电压峰-峰值为300mV左右。满足输出噪声电压小于0.5V的要求。,系统调试和测试结果,2测试结果 频率特性测量。增益设为40dB档，输入端加10mV正弦波，由于信号源不能保证不同频段的10mV正弦波幅度稳定，因此每次测量前先调节信号源使得输入信号保持在10mV左右，再测量输出信号。测试的数据绘成幅频特性曲线如图所示。,系统调试和测试结果,2测试结果 频率特性测量。由曲线可以得到，3dB通频带在低频端达到了1kHz，高频端在20MHz以上，由于信号源无法产生大于20MHz的信号故无法测量，从5MHz以上增益的趋势来看最终通频带高频端应大于20MHz，比较符合后级功率放大器的
24、理论高频截止频率25MHz。在20kHz5MHz频带内增益起伏0.2dB。,系统调试和测试结果,2测试结果 增益误差测量。输入端加有效值为10mV，频率为1MHz的正弦信号，保持幅度稳定，然后预设增益值测量输出信号来计算增益误差。测试的数据见下表。,由表中可以看出增益误差在0.2dB之内，频率较高时，随着输出电压的增大，增益有下降的趋势，这是因为后级功放管工作状态即将接近饱和，通过提高后级电源电压可以使增益更加稳定。,系统调试和测试结果,2测试结果 自动增益控制(AGC)测量。将放大器切换到AGC模式，改变输入信号电压，观察输出信号并记录输出电压。由于采用单片机控制增益，AGC范围和增益控制范
25、围一致，理论上AGC控制范围为080dB。设定AGC输出电压范围45V55V，把输入信号调到1MHz，把有效值从1mV起往上调，测量输出电压有效值，记录测试数据。输出电压测量。通过数码管显示输出电压有效值，与实际测量值比较，误差5。,3误差分析 实验测量的误差主要来源是电磁干扰，由于实验场地有许多电脑和仪器使用开关电源，电磁噪声很大，而且使用的同轴电缆屏蔽效果不好，所以测量输入端短路时的噪声电压时随输入短接方式不同而有很大误差。,系统调试和测试结果,4测试性能总结 本设计是在全国大学生电子设计竞赛优秀论文的基础上，经过赛前学生实验，使测试结果全面达到设计要求，有许多技术指标超出要求。特别在AGC计算上有独特之处。本设计偏重于模拟电路处理，得到了很高的增益和较小的噪声。采用多种抗干扰措施来处理前级放大，选用集成芯片作增益控制，利用分立元件作后级功率放大，放弃了较难买到的宽带功率运放，因而设计很灵活也很容易实现。,系统调试和测试结果,
