通信工程专业和电子信息工程专业课程设计——宽带放大器

引言 宽带放大器是指工作频率上限与下限之比大于2的放大电路，习惯上也常把相对频带宽度大于20%~30%的放大器列入此类可以归入宽带放大器的有：用于时分多路通信，示波器，数字电路的方面的基带放大器或脉冲放大器；用于测量仪器的直流放大器；用于音像设备的高保真度音频放大器等；用于射频信号放大的宽带放大器，如雷达或通信接收机中的中频放大器，其中心频率为几十兆赫或几百兆赫，通带宽度可达中心频率的百分之几十后者通常以电阻器为放大器的负载，以电容器作级间耦合为了扩展宽带，除了使其增益较低之外，通常还需要采用高频和低频补偿措施，以使放大器的增益—频率特性曲线的平坦部分向两端延展 1 设计任务及要求 1.1设计任务设计并制作一个宽频带、高增益的放大器1.2设计要求1.2.1基本要求（1）输入阻抗>=1千欧姆输入，但端输出；放大负载电阻600欧姆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，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。

1.3主要功能和技术指标分本课题的基本要求是设计一个宽频带、高增益的放大器，该放大器在宽带范围内有较好的线性度和较大的输出幅度，能够自动控制增益；另外，能够步进和预置增益值，并能够数字显示1）宽带:基本宽带10kHz~6MHz，并可以扩展2）增益范围:最小值为10dB，基本要求最大增益大于40Db3）步进调节范围：基本调节范围为10~40dB,步进间隔为6dB,误差小于2dB4）带内增益平坦度：20kHz~5MHz,范围内增益起伏小于1dB5）预置：在步进范围内增加预置功能，预置误差小于2Db6）电压幅值：最大输出电压有效值>=3V7）输入/输出特性:单端输入/单端输出，输入阻抗>=1千欧姆，负载电阻600欧姆8）其他：电源和显示显示部分可以显示预置增益值和输出电压值电压幅值、输入/输出特性、电源、测量和显示部分相对容易达到要求：在信号输入级增加一级缓冲，可以增大放大器的输入阻抗;在末级增加一级功率放大，可提高输出电压的幅值，增加带负载能力；利用单片机、DAC和ADC可以方便的实现测量和显示基于上述分析，对系统的结构已经有了一个大致的了解，现归纳如下： （1）放大器部分应尽量选用高速、宽带、低噪、增益可控放大的元器件，应避免选用噪声过大的分立元器件；（2）系统可分为多级，每级的增益分配都不宜太大；（3）利用单片机控制增益和显示。

系统组成框图如下所示显示单片机电源宽带功率放大多极程控放大输入缓冲级 图1.1 系统组成框图 2设计方案2.1增益控制部分 如下图所示，使用控制电压和增益（dB）呈线性关系的可变增益放大器（PGA）来实现增益控制输入缓冲PGAPADAC测有效值单片机ADC图2.1 设计方案图2.2功率输出部分 根据课题要求，放大器通频带从10kHz到6MHz，用音频或射频放大的方法来完成功率输出，要达到6V有效值，输出难度较大，用分立元件就具有明显的优势2.3测量有效值部分 采用集成真有效值变换芯片，直接输出被测信号的真有效值此方法可以实现对人以波形的有效值测量 综上所述，选用AD637，作为真有效值变换芯片该芯片可测量的信号有效值可高达7V，精度优于0.5%，且外围元件器少，拼带宽，对于一个有效值为1V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，该方案硬件、软件简单，精度也很高，但不是用于高于8MHz的信号 此方案硬件易实现，并且在8MHz以下时测得的有效值的精度可以保证，在题目要求的通频带10kHz~6MHz内精度较高。

8MHz以上输出信号可采用高频峰值检测的方法来测量2.4系统整体结构框图系统整体结构框图如下图所示：图2.2系统整体结构框图 3理论分析与参数计算 3.1电压控制增益的原理AD６０３的基本增益可用下式计算： {Ag}Db=(40dB/V){Ag}v+10Db （3-1-1）式中，Vg是差分输入电压，单位是V；Ag时AD637的基本增益，单位是dB从此式可以看出，以dB为单位的对数增益和电压之间是线性关系因此，单片机制要进行简单的线性计算就可以控制对数增益，增一步进也可以很准确地实现但若用放大倍数来表示增益，则须将放大倍数经过复杂的运算转化为以dB为单位的控制量去控制AD６０３的增益，这必将引入运算误差3.2正弦电压有效值的计算AD637的内部结构如图所示，根据AD637芯片手册，计算真有效值： Vrms=Avg （VIN*VIN/VRMS） (3-2-1)式中，为输入电压；为输出电压有效值　　　　　　　　图3.1 AD637内部结构图４电路设计　　 4.1输入缓冲和增益控制电路设计由于AD603的输入电阻只有100欧姆，故要满足输入电阻大于１千欧姆的要求，就必须加入输入缓冲部分以提高输入阻抗；另外前级电路对整个电路的噪声影响非常大，故采用高速低噪声电压反馈型运算放大芯片OPA642作前级跟随，同时在输入端加上二极管进行过压保护。

如图所示，输入部分先用电祖分压衰减，再由低噪声高速运算放大芯片OPA642放大，整体上还是一个跟随器，二极管可以保证输入到OPA642的电压峰－峰之不超过其极限（2V）其输入阻抗大于２．４千欧姆ＯＰＡ６４２的增益带宽积为400MHz，这里放大3.4倍，100MHz以上的信号被衰减输入／输出端口P1、P2由同轴电缆连接，以防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4.1 输入缓冲和增益控制电路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，如图所示，各列引脚含义如表所示通频带为９０ＭＨｚ，增益为－１０～＋３０ｄＢ，输入控制电压Ｖ的范围为－０．５～＋０．５Ｖ 图4.2 AD603接成90MHz宽带的典型方法增益和控制电压的关系为　　　　　　　　　　　ＡＧ　＝（４０ｄＢ／Ｖ）＊ＶＧ　＋１０ｄＢ一级的控制范围只有４０ｄＢ，若使用两级串联，则其增益为　　　　　　　　ＡＧ　＝（４０ｄＢ／Ｖ）＊Ｖ１　＋（４０ｄＢ／Ｖ）＊Ｖ２　＋２０ｄＢ增益范围是－２０～＋６０ｄＢ，满足题目要求。

由于两级放大电路幅频相应曲线相同，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，两级放大电路串联后总的３ｄＢ宽带对应着单级放大电路１．５ｄＢ带宽根据幅频响应曲线可得出级联后的总带宽为６０ＭＨｚ４．２功率放大电路设计如图所示，在参考音频放大器中驱动级电路设计中，考虑到负载电阻为６００欧姆，输出有效值大于６Ｖ，而ＡＤ６０３输出最大有效值在２Ｖ左右，故选用两级三极管进行直流耦合和发射结直流负反馈来构建末级功率放大器第一级进行电压放大，整个功率放大电路的电压增益在这一级完成，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以满足题目要求选用ＮＳＣ的２Ｎ３９０４和２Ｎ３９０６三极管理论上可达到２５ＭＨｚ的带宽整个电路没有使用频率补偿，可对ＤＣ到２０ＭＨｚ的信号进行线性放大，在２０ＭＨｚ以下增益非常平稳，表现出稳定的直流特性将反馈回路用电容串联接地，加大直流负反馈，会使低频响应变差，这样做只是把通频带的低频下限频率从ＤＣ提高到十几赫兹，但提高了电路的稳定性。

图4.3功率放大电路本电路的放大倍数　　　　　　　　　ＡＧ＝１＋（Ｒ７／／ＲＰ２）／Ｒ８整个功率放大器电压放大约１０倍通过调节ＲＰ２来调节增益，根据电源电压调节ＲＰ１可调节工作点４．３控制电路设计控制电路由５１系列单片机、ＡＤＣ、ＤＡＣ和基准源组成使用１２位串行ＡＤＣ芯片ＡＤＳ７８１６和ＡＤＳ７８４１和１２位串行双ＤＡＣ芯片ＴＬＶ５６１８基准源采用带隙基准电压源ＭＣ１４０３４．４稳压电源设计电源部分输出＋－５Ｖ、＋－１５Ｖ电压供给整个系统数字部分和模拟部分通过电感隔离电路原理如图所示图4.4 电源电路５ 软件设计取消AGCAGC电压显示增益显示增益减小增益增加判断键码有键按下系统初始化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由于ＡＤ６０３的设计增益跟实际增益有误差，故软件上还进行了校正，软件流程如图所示YN终端返回调整倍数放大是AGC否采样输出端口10ms中断图5.1 软件流程图６ 主要技术指标与分析６．１指标的测试６．１．１输入阻抗电路的设计保证输入阻抗大于２．４欧姆，满足题目要求６．１．２输入电压有效测量　　在输入端加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９．３～９．５Ｖ，达到大于６Ｖ的要求。

６．１．３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的正弦波幅度稳定，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，再测量输出信号测量数据如下表所示表6.1 频率特性测试数据f/Hz 1 2 6 10 20 40 50 60 0.710 0.821 0.976 1.000 1.010 1.020 0.999 1.020增益/dB 37.0 38.3 39.8 40.0 40.0 40.1 39.9 40.1频率/kHz 90 100 200 300 400 500 600 800 0.999 0.998 0.997 0.996 0.997 1.000 1.010 1.020增益/MHz 39.9 39.9 39.9 39.9 39.9 40.0 40.0 40.1频率/MHz 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 10.00 20.00Vo/V 1.020 0.997 0.978 0.975 0.986 0.984 0.901 0.802增益/dB 40.1 39.9 39.8 39.8 39.8 39.9 39.9 38.1６．１．4增益误差测量输入端有效值为１０ｍＶ，频率为１ＭＨｚ的正弦信号，保持幅度稳定，测量输出信号以计算增益误差。

测量数据如下表所示６．１．5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％表6.2 增益误差测试数据预置增益/dB 10 16 22 28 34 40 46 52Vo/V 0.0323 0.06380.1270.2540.5051.0101.9803.950实际增益/dB 10.2 16.1 22.1 28.1 34.0 40.0 46.0 51.9增益误差/dB +0.2 +0.1 +0.1 +0.1 0.0 0.0 0.0 -0.1６．２误差分析测量误差的主要来源是电磁干扰，由于试验场地电磁环境恶劣，故测量时噪声电压比较大7 总结本设计利用可变增益宽带放大器ＡＤ６０３来提高增益和扩大ＡＧＧ控制范围，通过软件补偿减小增益调节的步进间隔和提高准确度输入部分采用高速电压反馈型运算放大芯片ＯＰＡ６４２作跟随器，提高输入阻抗，并且在不影响性能的条件下给输入部分加了保护电路使用了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激功率输出部分采用分立元器件制作整个系统通频带为１ｋＨｚ～２０ＭＨｚ，最小增益０ｄＢ，最大增益８０ｄＢ增益进步１ｄＢ，６０ｄＢ以下预置增益与实际增益误差小于０．２ｄＢ。

不失真输出电压有效值达９．５Ｖ，输出４．５～５．５Ｖ是ＡＧＣ控制范围为０～６６ｄＢ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，利用分立元器件作后级功率放大器，设计很灵活也很容易实现。