全國(guó)賽--寬帶放大器

1、寬帶直流放大器（C題）作者：張悅龍 郭登五 王 坤摘 要基于C8051F005單片機(jī)為控制器，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一寬帶直流放大器，通過(guò)四級(jí)直接耦合放大，放大倍數(shù)為0-60dB，通頻帶為0-10MHz。通頻帶內(nèi)增益起伏1 dB；由外置鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)增益可控預(yù)置，步距為5dB；由800*480彩色LCD同步顯示增益預(yù)置值和增益步進(jìn)值；利用單個(gè)元器件的零點(diǎn)漂移特性，巧妙采用放大級(jí)正向、反向輸入端，有效的抑制了零漂。 AbstractBased on C8051F005 MCU for the controller, we designed and implemented the Broadband DC Amp

2、lifier. The Broadband DC Amplifier can amplify through four direct-coupled amplification of 0-60dB, and the pass band is 0-10MHz. The rising and fall of the pass band gain is 1 dB. It can achieve preset gain controling through the external keyboard with the step distance of 5dB. And it can display s

3、imultaneously the gain preset value and the gain step values through the 800 * 480 color LCD. The product suppresses effectively the zero drift by using the characteristics of the individual components of the zero drift and using the forward and reverse input of zoom-level.一、引言寬帶直流放大器在科研中具有重要作用，它廣泛應(yīng)

4、用于低頻信號(hào)放大、波形發(fā)生器、視頻放大器等電路。本次設(shè)計(jì)完成的寬帶直流放大器要滿足如下要求： （1）輸入電壓有效值Vi10 mV，輸入電阻50W，在負(fù)載電阻為（50±2）W時(shí)，輸出電壓有效值Vo10V。系統(tǒng)的3 dB通頻帶在05MHz和010MHz之間變換，能預(yù)置并顯示通頻帶、放大倍數(shù)，放大倍數(shù)步進(jìn)可調(diào)且可手動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)。在09MHz的通頻帶內(nèi)，電壓增益起伏1 dB。（2）系統(tǒng)最大增益不小于60 dB，并且在增益為60 dB時(shí)，輸出噪聲電壓的峰峰值要不大于0.3V。系統(tǒng)所用電源自制，盡量降低制作成本并提高電源效率，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如下圖1所示。圖1 寬帶直流放大器系統(tǒng)框圖輸入信號(hào)通過(guò)前置

5、放大器實(shí)現(xiàn)了輸入電阻50W的要求，經(jīng)放大倍數(shù)最大為60dB、通頻帶為10MHz的中間級(jí)放大器，將信號(hào)放大至1000倍，再經(jīng)過(guò)通頻帶選擇網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)放大器通頻帶預(yù)置，最后經(jīng)末級(jí)放大器達(dá)到了輸出功率的指標(biāo)要求。整個(gè)過(guò)程中，控制器控制電壓增益和通頻帶帶寬的預(yù)置輸入與顯示。二、方案設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)思路為達(dá)到設(shè)計(jì)要求，放大器必須采用多級(jí)直接耦合連接方式，因此本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于抑制零點(diǎn)漂移和通頻帶的擴(kuò)展，這恰是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，整個(gè)設(shè)計(jì)始終圍繞這兩點(diǎn)展開(kāi)。2.方案論證與選擇通過(guò)以上分析我們擬定如下方案：方案一：以FPGA為主控制器，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換對(duì)輸入信號(hào)（）、中間級(jí)放大輸出信號(hào)(V2)以及末級(jí)放大輸出信號(hào)(V

6、out)進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)控制器計(jì)算出增益值（），將預(yù)置增益值A(chǔ)v與進(jìn)行比較得出差值，主控制器以此差值為依據(jù)，控制中間級(jí)放大器和末級(jí)放大器的增益，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)置輸入的目的，原理圖如下圖2所示。圖2 方案一原理框圖方案二：以C8051F005單片機(jī)為控制器，輸入信號(hào)通過(guò)前置放大、中間級(jí)放大，再經(jīng)過(guò)通頻帶選擇網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)通頻帶帶寬的選擇，由末級(jí)放大器輸出。通過(guò)鍵盤(pán)控制選擇通頻帶帶寬、電壓增益等參數(shù)，并由顯示器同步顯示增益預(yù)置值和增益步進(jìn)值，原理框圖如下圖3所示。圖3 方案二原理框圖方案一通過(guò)對(duì)各級(jí)放大器輸出進(jìn)行采樣、分析后，調(diào)整各級(jí)放大器的參數(shù)，得到滿足預(yù)置的參數(shù)要求。由于本次設(shè)計(jì)要求的增益帶寬積較高，僅

7、用一級(jí)放大不可能同時(shí)滿足增益和帶寬的要求，但若采用多級(jí)放大，各級(jí)間產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象很難通過(guò)程序抑制。相比之下，方案二對(duì)硬件簡(jiǎn)化，由單片機(jī)直接根據(jù)預(yù)置輸入，控制中間級(jí)放大和通頻帶選擇網(wǎng)絡(luò)獲得所需的增益帶寬積，中間級(jí)放大器產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移，可以通過(guò)硬件電路之間的相互補(bǔ)償被抑制，可以較好的解決本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。且考慮到性價(jià)比，所以我們選擇方案二。3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)（1）前置放大電路前置放大電路使用電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。考慮到本系統(tǒng)的通頻帶為010MHz，為避免引入噪聲，其輸入阻抗必須限定在50W100W之間，若電壓跟隨器的阻抗為Rj，圖4電路的輸入阻抗為。實(shí)際電路取Rk=100W,則50

8、W。此前置放大電路還具有緩沖、隔離的功能，其電壓增益接近于1，運(yùn)算放大器選用OPA642，此放大器的增益帶寬積為400MHz。（2）中間級(jí)放大電路本級(jí)放大器由固定增益模塊和增益控制模塊組成，增益達(dá)42dB，帶寬為12.5 MHz，實(shí)現(xiàn)增益從0dB到42dB可控，并能實(shí)現(xiàn)增益為5dB步進(jìn)，如下圖5所示。 圖5 中間級(jí)放大原理圖增益帶寬積：OPA620集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益帶寬積為200MHz，為滿足系統(tǒng)最大通頻帶為10MHz的要求，由OPA620構(gòu)成的單級(jí)閉環(huán)放大器的最大增益不能大于。由OPA620的幅頻和相頻特性（如下圖6所示）得，當(dāng)單級(jí)閉環(huán)放大器的增益為20dB時(shí)，線性相位為零的最大頻率約為3M

9、Hz10MHz，由此得出當(dāng)單級(jí)閉環(huán)增益16dB時(shí)，通頻帶為12.5MHz，滿足通頻帶帶寬的設(shè)計(jì)要求。若同時(shí)獲得60dB電壓增益，至少需要四級(jí)放大。圖6 OPA620的幅頻和相頻特性第一級(jí)放大器，取R1=100W，R2 =100W，由公式 dB得R3=530W，Av1 =6.3倍；同理可得第二級(jí)放大器： R6 =630W， Av2 =6.3倍。零點(diǎn)漂移：在設(shè)計(jì)的60dB直接耦合放大器中，第一級(jí)的漂移經(jīng)逐級(jí)耦合放大，其輸出信號(hào)將淹沒(méi)在漂移信號(hào)中，放大器無(wú)法正常工作。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，單級(jí)OPA620產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移是負(fù)漂移（見(jiàn)附錄1）。中放設(shè)計(jì)中我們抑制漂移的方法是，輸入信號(hào)從第一級(jí)運(yùn)放的正向端輸入，輸出

10、至第二級(jí)運(yùn)放的反向輸入端，且由上述計(jì)算可得二級(jí)放大倍數(shù)均為6.3倍，所用元件參數(shù)盡可能一致，這種方法可使相鄰兩級(jí)的漂移相互抵消，可達(dá)到抑制漂移的目的。增益控制模塊：在兩級(jí)6.3倍（16dB）單閉環(huán)放大器級(jí)聯(lián)后，再級(jí)聯(lián)一級(jí)可變?cè)鲆娣糯笃鳎ˋD603），以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓增益預(yù)置和步進(jìn)的控制，如下圖7所示。AD603采用通頻帶為90MHz，增益為-10+30dB的典型接法，見(jiàn)附錄2所示。AD603增益與控制電壓的關(guān)系為AG（dB）=40Ug+10，輸入控制電壓Ug由AD603的1腳輸入，控制電壓范圍為-0.5+0.5。單片機(jī)可以通過(guò)D/A（將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的模擬電壓量Ug）來(lái)控制AD603的放大倍數(shù)，

11、中放的最大增益=31dB+16dB×2。設(shè)計(jì)時(shí)Ug取值范圍為-0.50，從而實(shí)現(xiàn)增益從22dB到42dB可控，并能實(shí)現(xiàn)增益為5dB步進(jìn)。圖7 增益控制模塊原理圖（3）末級(jí)放大當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載電阻為（50±2）W時(shí)，最大輸出電壓Vo10V，則由公式可得，系統(tǒng)輸出功率的最大值為。經(jīng)前置放大和中放電路放大后，不具備驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力，需經(jīng)末級(jí)功率放大電路放大后才能達(dá)到系統(tǒng)對(duì)輸出功率的要求。參考音頻放大器中驅(qū)動(dòng)級(jí)電路，考慮到負(fù)載電阻為（50±2）W，輸出有效值大于10V，末級(jí)采用二級(jí)三極管直接耦合功率放大器，如下圖8所示。末級(jí)放大電路的電壓增益在第一級(jí)，第二級(jí)采用了一對(duì)孿生功放管D

12、669A和B649A（特征頻率fT=140MHz，Ic=1.5A）進(jìn)行功率放大。整個(gè)電路設(shè)計(jì)有頻率補(bǔ)償，可對(duì)0到10MHz的信號(hào)進(jìn)行線性放大，放大倍數(shù)，在實(shí)際制作過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻R10調(diào)整反饋深度獲得20dB增益，使整個(gè)放大器的總增益為62dB，在10MHz以下的通頻帶內(nèi)增益非常穩(wěn)定，可有效抑制通頻帶內(nèi)增益起伏的變化。圖8 末級(jí)放大原理圖（4）各級(jí)增益控制通過(guò)以上論述可得，系統(tǒng)總增益可調(diào)范圍是42 dB62 dB，不能滿足題目的要求。利用兩組衰減網(wǎng)絡(luò)分別將系統(tǒng)增益衰減20 dB和42 dB，如下圖9所示，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增益分別在020 dB、22 42 dB和4262 dB間變化，再結(jié)合增益

13、控制模塊實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)增益手動(dòng)連續(xù)可調(diào)、5 dB步進(jìn)和預(yù)置。實(shí)驗(yàn)測(cè)試得，經(jīng)42 dB衰減網(wǎng)絡(luò)后，系統(tǒng)頻率特性仍較好。而經(jīng)20 dB衰減網(wǎng)絡(luò)后，輸入信號(hào)頻率在1MHZ以上時(shí)，增益有所下降，為穩(wěn)定增益，在衰減電阻上并聯(lián)15pF的電容進(jìn)行頻率補(bǔ)償。采用三組繼電器對(duì)增益范圍進(jìn)行切換，由單片機(jī)的I/O口P2.0、P2.1和P2.2控制繼電器的動(dòng)作。圖9 增益衰減網(wǎng)絡(luò)（5）通頻帶選擇網(wǎng)絡(luò)通過(guò)對(duì)繼電器L1和L2觸點(diǎn)的控制實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)通頻帶05MHz和010MHz兩個(gè)范圍預(yù)置，如下圖10所示。系統(tǒng)默認(rèn)選擇10MHz通頻帶。通過(guò)鍵盤(pán)選擇通頻帶，當(dāng)單片機(jī)的P0.5和P0.6口分別向三極管T1和T2的基極送高電平時(shí)，繼電

14、器的觸點(diǎn)動(dòng)作，使輸入信號(hào)V2經(jīng)5MHz的低通濾波器輸出，即實(shí)現(xiàn)了預(yù)置05MHz的通頻帶。圖10 通頻帶選擇網(wǎng)絡(luò)（6）電源模塊電源需提供單片機(jī)、顯示器、前置放大器、中間級(jí)放大器和末級(jí)放大器所需的不同電壓。電源電路原理圖如附錄3所示，三端穩(wěn)壓芯片7805、7905、LM317和LM337起穩(wěn)壓作用，2200uf電解電容、100uf和0.33uf瓷片電容起濾除紋波作用，輸出分別為、提供給各單元電路。4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件流程圖如下圖11所示：圖11 系統(tǒng)軟件流程圖三、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)1抑制直流零點(diǎn)漂移實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)，輸出漂移較為明顯，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，單級(jí)OPA620產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移是負(fù)漂移。中放設(shè)計(jì)中我們抑制漂移的

15、方法是，輸入信號(hào)從第一級(jí)運(yùn)放的正向端輸入，輸出至第二級(jí)運(yùn)放的反向輸入端，且由放大倍數(shù)相同和選用元件參數(shù)盡可能一致，這種方法可使相鄰兩級(jí)的漂移相互抵消，可達(dá)到抑制漂移的目的。2通頻帶內(nèi)增益起伏控制及放大電路的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)電路電壓增益在通頻帶內(nèi)波動(dòng)較明顯，通過(guò)對(duì)各級(jí)放大電路進(jìn)行頻率補(bǔ)償，在電源端增加去耦0.1uF和100uF電容，電容電阻的引線部分要盡可能的短，并且采用屏蔽盒對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多點(diǎn)屏蔽。實(shí)驗(yàn)證明，可有效抑制通頻帶內(nèi)增益起伏的變化，同時(shí)增加了放大器的穩(wěn)定性。四、系統(tǒng)測(cè)試1測(cè)試條件和測(cè)試儀器設(shè)備系統(tǒng)容易受到溫度和強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，測(cè)試時(shí)必須在室溫且無(wú)強(qiáng)磁場(chǎng)干擾的條件下進(jìn)行，并要確保供電電源的穩(wěn)定性，

16、測(cè)試儀器設(shè)備如下表1所示。表1 測(cè)試使用的儀器設(shè)備序號(hào)名稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量備注出廠編號(hào)1Tektronix1TektronixC0390702函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 EE164281南京新聯(lián)電子設(shè)備有限公司0013983LY1211 頻率特性測(cè)試儀 1徐州龍宇電子儀器有限公司10514數(shù)字萬(wàn)用表 UT58E1UNI-T30500306335高頻毫伏表 AS1053A1上海愛(ài)儀電子設(shè)備有限公司2測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果 輸入電阻的測(cè)試電路如附錄4所示。當(dāng)R=0時(shí)，在輸出電壓波形不失真的情況下，用交流毫伏表測(cè)出輸出電壓U01；當(dāng)R取固定電阻時(shí)，測(cè)出輸出電壓U02，則有 調(diào)整測(cè)試電壓Us使輸出電壓UO1=10V,

17、改變R的阻值，取多次測(cè)量的平均值。 表2 輸入電阻測(cè)試表R/UO1/VUO2/VRi/133106.951.6243106.350.5351105.951由上表的測(cè)試結(jié)果得，輸入電阻約為50，滿足輸入電阻50的要求。 最大輸出電壓正弦波有效值的測(cè)試。輸入端Vin加入頻率為500KHz的正弦波，調(diào)節(jié)輸入電壓有效值（限制Vin10 mV），測(cè)得輸出最大不失真正弦波有效值Vo=10.6V，滿足基本部分Vo2V和發(fā)揮部分Vo10V的要求。 通過(guò)按鍵的切換可實(shí)現(xiàn)電壓增益AV的預(yù)置和步進(jìn)并能顯示，預(yù)置范圍為060dB，步距為5dB，并且可手動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)電壓增益，放大器的帶寬也能滿足5MHz和10MHz 兩點(diǎn)

18、預(yù)置和通頻帶帶寬的顯示。 輸出噪聲電壓測(cè)量。增益調(diào)到60dB檔，輸入端短路，測(cè)得輸出電壓峰-峰值在0.220.26V間波動(dòng)，滿足發(fā)揮部分要求的VONPP0.3V的要求。 頻率特性測(cè)量。增益設(shè)為60dB檔，輸入端加有效值為10mV的電壓信號(hào)，因?yàn)樾盘?hào)源不能保證在不同的頻段內(nèi)有相同的有效值，因此在每次測(cè)試前，必須調(diào)節(jié)信號(hào)源分有效值，使其穩(wěn)定在10mV左右，再測(cè)量輸出信號(hào)的幅值，并帶入公式算的實(shí)際電壓增益，測(cè)試結(jié)果如下表3所示。表3 頻率特性測(cè)試表頻率/Hz0.220305080200600900輸出/V（有效值）9.1210.1010.1010.1010.110.2310.3510.10增益/dB59.260.160.160.160.160.260.360.1頻率/kHz120305080200600900輸出/V（有效值）10.2310.1010.2310.2310.2310.2310.2310.23增益/dB60.260.160.260.260.260.260.260.2頻率/MHz1357891011輸出/V（有效值）10.1010.1010.109.019.549.337.945.62增益/dB60.160.160.159.159.659.45855由上表測(cè)試結(jié)果得，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為020Hz時(shí)，系統(tǒng)增益有起伏