通信工程專業(yè)和電子信息工程專業(yè)課程設計——寬帶放大器.doc

引言 寬帶放大器是指工作頻率上限與下限之比大于2的放大電路，習慣上也常把相對頻帶寬度大于20%30%的放大器列入此類?？梢詺w入寬帶放大器的有：用于時分多路通信，示波器，數(shù)字電路的方面的基帶放大器或脈沖放大器；用于測量儀器的直流放大器；用于音像設備的高保真度音頻放大器等；用于射頻信號放大的寬帶放大器，如雷達或通信接收機中的中頻放大器，其中心頻率為幾十兆赫或幾百兆赫，通帶寬度可達中心頻率的百分之幾十。后者通常以電阻器為放大器的負載，以電容器作級間耦合。為了擴展寬帶，除了使其增益較低之外，通常還需要采用高頻和低頻補償措施，以使放大器的增益頻率特性曲線的平坦部分向兩端延展。 1 設計任務及要求 1.1設計任務設計并制作一個寬頻帶、高增益的放大器。1.2設計要求1.2.1基本要求（1）輸入阻抗=1千歐姆輸入，但端輸出；放大負載電阻600歐姆。（2）3db通頻帶10khz6mhz，在20khz5mhz頻帶內增益起伏=40db，增益調節(jié)范圍1040db，需顯示預置增益值。（4）最大輸出電壓有效值=3v，數(shù)字顯示輸出正弦電壓有效值。（5）自制放大器所需的穩(wěn)壓電源。1.3主要功能和技術指標分本課題的基本要求是設計一個寬頻帶、高增益的放大器，該放大器在寬帶范圍內有較好的線性度和較大的輸出幅度，能夠自動控制增益；另外，能夠步進和預置增益值，并能夠數(shù)字顯示。（1）寬帶:基本寬帶10khz6mhz，并可以擴展。（2）增益范圍:最小值為10db，基本要求最大增益大于40db。（3）步進調節(jié)范圍：基本調節(jié)范圍為1040db,步進間隔為6db,誤差小于2db。（4）帶內增益平坦度：20khz5mhz,范圍內增益起伏小于1db。（5）預置：在步進范圍內增加預置功能，預置誤差小于2db。（6）電壓幅值：最大輸出電壓有效值=3v。（7）輸入/輸出特性:單端輸入/單端輸出，輸入阻抗=1千歐姆，負載電阻600歐姆。（8）其他：電源和顯示。顯示部分可以顯示預置增益值和輸出電壓值。電壓幅值、輸入/輸出特性、電源、測量和顯示部分相對容易達到要求：在信號輸入級增加一級緩沖，可以增大放大器的輸入阻抗;在末級增加一級功率放大，可提高輸出電壓的幅值，增加帶負載能力；利用單片機、dac和adc可以方便的實現(xiàn)測量和顯示?；谏鲜龇治?，對系統(tǒng)的結構已經(jīng)有了一個大致的了解，現(xiàn)歸納如下： （1）放大器部分應盡量選用高速、寬帶、低噪、增益可控放大的元器件，應避免選用噪聲過大的分立元器件；（2）系統(tǒng)可分為多級，每級的增益分配都不宜太大；（3）利用單片機控制增益和顯示。系統(tǒng)組成框圖如下所示顯示單片機電源寬帶功率放大多極程控放大輸入緩沖級 圖1.1 系統(tǒng)組成框圖 2設計方案2.1增益控制部分 如下圖所示，使用控制電壓和增益（db）呈線性關系的可變增益放大器（pga）來實現(xiàn)增益控制。輸入緩沖pgapadac測有效值單片機adc圖2.1 設計方案圖2.2功率輸出部分 根據(jù)課題要求，放大器通頻帶從10khz到6mhz，用音頻或射頻放大的方法來完成功率輸出，要達到6v有效值，輸出難度較大，用分立元件就具有明顯的優(yōu)勢。2.3測量有效值部分 采用集成真有效值變換芯片，直接輸出被測信號的真有效值。此方法可以實現(xiàn)對人以波形的有效值測量。 綜上所述，選用ad637，作為真有效值變換芯片。該芯片可測量的信號有效值可高達7v，精度優(yōu)于0.5%，且外圍元件器少，拼帶寬，對于一個有效值為1v的信號，它的3db帶寬為8mhz，并且可以對輸入信號的電平以db形式指示，該方案硬件、軟件簡單，精度也很高，但不是用于高于8mhz的信號。 此方案硬件易實現(xiàn)，并且在8mhz以下時測得的有效值的精度可以保證，在題目要求的通頻帶10khz6mhz內精度較高。8mhz以上輸出信號可采用高頻峰值檢測的方法來測量。2.4系統(tǒng)整體結構框圖系統(tǒng)整體結構框圖如下圖所示：圖2.2系統(tǒng)整體結構框圖 3理論分析與參數(shù)計算 3.1電壓控制增益的原理ad的基本增益可用下式計算： agdb=(40db/v)agv+10db （3-1-1）式中，vg是差分輸入電壓，單位是v；ag時ad637的基本增益，單位是db。從此式可以看出，以db為單位的對數(shù)增益和電壓之間是線性關系。因此，單片機制要進行簡單的線性計算就可以控制對數(shù)增益，增一步進也可以很準確地實現(xiàn)。但若用放大倍數(shù)來表示增益，則須將放大倍數(shù)經(jīng)過復雜的運算轉化為以db為單位的控制量去控制ad的增益，這必將引入運算誤差。3.2正弦電壓有效值的計算ad637的內部結構如圖所示，根據(jù)ad637芯片手冊，計算真有效值： vrms=avg （vin*vin/vrms） (3-2-1)式中，為輸入電壓；為輸出電壓有效值。圖3.1 ad637內部結構圖電路設計 4.1輸入緩沖和增益控制電路設計由于ad603的輸入電阻只有100歐姆，故要滿足輸入電阻大于千歐姆的要求，就必須加入輸入緩沖部分以提高輸入阻抗；另外前級電路對整個電路的噪聲影響非常大，故采用高速低噪聲電壓反饋型運算放大芯片opa642作前級跟隨，同時在輸入端加上二極管進行過壓保護。如圖所示，輸入部分先用電祖分壓衰減，再由低噪聲高速運算放大芯片opa642放大，整體上還是一個跟隨器，二極管可以保證輸入到opa642的電壓峰峰之不超過其極限（2v）。其輸入阻抗大于千歐姆。的增益帶寬積為400mhz，這里放大3.4倍，100mhz以上的信號被衰減。輸入輸出端口p1、p2由同軸電纜連接，以防自激。級間耦合采用電解電容并聯(lián)高頻瓷片電容的方法，兼顧高頻和低頻信號。4.1 輸入緩沖和增益控制電路增益控制部分裝在屏蔽盒中，盒內采用多點接地和就近接地的方法避免自激，部分電容、電阻采用貼片封裝，使得輸入級連線盡可能短。該部分采用典型接法中通頻帶最寬的一種，如圖所示，各列引腳含義如表所示。通頻帶為，增益為，輸入控制電壓的范圍為。 圖4.2 ad603接成90mhz寬帶的典型方法增益和控制電壓的關系為（）一級的控制范圍只有，若使用兩級串聯(lián)，則其增益為（）（）增益范圍是，滿足題目要求。由于兩級放大電路幅頻相應曲線相同，所以當兩級串聯(lián)后，帶寬會有所下降，串聯(lián)前各級帶寬為左右，兩級放大電路串聯(lián)后總的寬帶對應著單級放大電路帶寬。根據(jù)幅頻響應曲線可得出級聯(lián)后的總帶寬為。功率放大電路設計如圖所示，在參考音頻放大器中驅動級電路設計中，考慮到負載電阻為歐姆，輸出有效值大于，而輸出最大有效值在左右，故選用兩級三極管進行直流耦合和發(fā)射結直流負反饋來構建末級功率放大器。第一級進行電壓放大，整個功率放大電路的電壓增益在這一級完成，第二級進行電壓合成和電流放大，將第一級輸出的雙端信號變成單端信號，同時提高帶負載能力，如果需要更大的驅動能力，則需要在后級增加三極管跟隨器，實際上加上跟隨器后通頻帶急劇下降，原因是跟隨器的結電容被等效放大，當輸入信號頻率很高時，輸出級直流電流很大而輸出信號很小。使用兩級放大已足以滿足題目要求。選用的和三極管理論上可達到的帶寬。整個電路沒有使用頻率補償，可對到的信號進行線性放大，在以下增益非常平穩(wěn)，表現(xiàn)出穩(wěn)定的直流特性。將反饋回路用電容串聯(lián)接地，加大直流負反饋，會使低頻響應變差，這樣做只是把通頻帶的低頻下限頻率從提高到十幾赫茲，但提高了電路的穩(wěn)定性。圖4.3功率放大電路本電路的放大倍數(shù)（）整個功率放大器電壓放大約倍。通過調節(jié)來調節(jié)增益，根據(jù)電源電壓調節(jié)可調節(jié)工作點。控制電路設計控制電路由系列單片機、和基準源組成。使用位串行芯片和和位串行雙芯片。基準源采用帶隙基準電壓源。穩(wěn)壓電源設計電源部分輸出、電壓供給整個系統(tǒng)。數(shù)字部分和模擬部分通過電感隔離。電路原理如圖所示。圖4.4 電源電路 軟件設計取消agcagc電壓顯示增益顯示增益減小增益增加判斷鍵碼有鍵按下系統(tǒng)初始化本系統(tǒng)單片機控制部分采用反饋控制方式，通過輸出電壓采樣來控制電壓增益。由于的設計增益跟實際增益有誤差，故軟件上還進行了校正，軟件流程如圖所示yn終端返回調整倍數(shù)放大是agc否采樣輸出端口10ms中斷圖5.1 軟件流程圖 主要技術指標與分析指標的測試輸入阻抗電路的設計保證輸入阻抗大于歐姆，滿足題目要求。輸入電壓有效測量在輸入端加正弦波，調節(jié)電壓和增益，測得不失真最大輸出電壓有效值為，達到大于的要求。頻率特性測量增益設為檔，輸入端加正弦波，由于信號源不能保證不同頻段的的正弦波幅度穩(wěn)定，因此，每次測量前先調節(jié)信號源使得輸入信號保持在左右，再測量輸出信號。測量數(shù)據(jù)如下表所示。表6.1 頻率特性測試數(shù)據(jù)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頻率/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頻率/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 38.14增益誤差測量輸入端有效值為，頻率為的正弦信號，保持幅度穩(wěn)定，測量輸出信號以計算增益誤差。測量數(shù)據(jù)如下表所示。5輸出電壓測量通過數(shù)碼管顯示輸出電壓有效值，與實際測量值比較，誤差。表6.2 增益誤差測試數(shù)據(jù)預置增益/db 10 16 22 28 34 40 46 52vo/v 0.0323 0.06380.1270.2540.5051.0101.9803.950實際增益/db 10.2 16.1 22.1 28.1 34.0 40.0 46.0 51.9增益誤差/db +0.2 +0.1 +0.1 +0.1 0.0 0.0 0.0 -0.1誤差分析測量誤差的主要來源是電磁干擾，由于試驗場地電磁環(huán)境惡劣，故測量時噪聲電壓比較大。7 總結本設計利用可變增益寬帶放大器來提高增益和擴大控制范圍，通過軟件補償減小增益調節(jié)的步進間隔和提高準確度。輸入部分采用高速電壓反饋型運算放大