寬帶放大器課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、摘 要 本設(shè)計(jì)寬帶直流放大器中核心部分以高速低噪聲運(yùn)算放大器opa300和可調(diào)線性增益放大器vca822對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。將一片opa300與兩片vca822進(jìn)行級(jí)聯(lián)，基本部分中調(diào)節(jié)每一級(jí)的電位器對(duì)應(yīng)地改變每一級(jí)的放大倍數(shù)，從而使整個(gè)系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)進(jìn)行連續(xù)變化，滿足了要求；發(fā)揮部分中以at89s52單片機(jī)為核心，控制dac0832的電流輸出，再經(jīng)電流變電壓后輸入至放大器從而對(duì)信號(hào)進(jìn)行了放大。本設(shè)計(jì)利用了高性能的芯片提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和抗干擾性。目 錄一、方案論證與比較.4二、理論分析計(jì)算1. 帶寬增益積、通頻帶內(nèi)增益起伏控制、線性相位.52. 抑制直流零點(diǎn)漂移.53.放大器穩(wěn)定性.5

2、3、 系統(tǒng)簡(jiǎn)介及單元電路分析1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介.62 單元電路簡(jiǎn)介.62.1 直流穩(wěn)壓電源.72.2 寬帶直流放大器電路.72.3 單片機(jī)系統(tǒng)電路.72.4 dac0832電路.8四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).8五、系統(tǒng)測(cè)試1. 主要測(cè)試儀器.82. 測(cè)試方案.83.測(cè)試結(jié)果.8六、總結(jié).9七、附件.11一、方案論證與比較 改變放大器的增益，一般有兩種途徑，一種是改變反相端的輸入電阻，另一種是改變負(fù)反饋電阻阻值。 方案一：如圖1所示，采用模擬開(kāi)關(guān)或繼電器作為開(kāi)關(guān)，構(gòu)成梯形電阻網(wǎng)絡(luò)，單片機(jī)控制繼電器或模擬開(kāi)關(guān)的通斷，從而改變放大器的增益。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是電阻網(wǎng)絡(luò)的匹配難以實(shí)現(xiàn)，調(diào)試很困難。 方案二：如

3、圖2所示，非易失性數(shù)字電位器改變電阻，克服了模擬電位器的主要缺點(diǎn)，無(wú)噪聲，壽命長(zhǎng)，阻值可程控改變，設(shè)定阻值掉電記憶。該方案優(yōu)點(diǎn)是增益范圍寬，占用p口少，成本低，通頻帶取決于運(yùn)放的通頻帶，但是不能進(jìn)行連續(xù)變化的調(diào)節(jié)。 方案三：用at89s52單片機(jī)控制dac0832的輸出電流，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器后將電流轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓后加入寬帶放大器的反相輸入端，鍵入所需要的放大倍數(shù)從而改變整個(gè)寬帶放大器的。如圖3所示 方案四：如圖3所示采用普通的3個(gè)電位器，分別用手動(dòng)的方式改變寬帶放大器每一級(jí)反相端的輸入電阻或者負(fù)反饋電阻阻值。用螺絲刀轉(zhuǎn)動(dòng)電位器的這種方法可以很容易實(shí)現(xiàn)放大器對(duì)信號(hào)的手動(dòng)連續(xù)可調(diào)，并且能夠保證每一

4、級(jí)的放大都可保持在放大極限范圍內(nèi)。 在本題中，基本部分電壓增益要求為040db手動(dòng)連續(xù)可調(diào)，3db通頻帶為05mhz，放大器輸出電壓無(wú)明顯失真，發(fā)揮部分要求電壓增益為060db，3db通頻帶為010mhz。由于輸入信號(hào)幅值很小、通頻帶很寬，所以我們選用一片高速、高精度、低噪聲的運(yùn)算放大器opa300以及兩片寬帶線性可調(diào)增益的放大器vca822進(jìn)行級(jí)聯(lián)。 在基本部分中我們采用方案四，電位器調(diào)節(jié)每一級(jí)放大器的反向端輸入電壓和反饋端的電壓的手段，實(shí)現(xiàn)電壓增益為40db，手動(dòng)連續(xù)可調(diào)，通頻帶為05mhz，放大器輸出電壓無(wú)明顯失真。在發(fā)揮部分中我們采用方案三，用單片機(jī)控制調(diào)節(jié)dac0832轉(zhuǎn)換的電流后經(jīng)

5、過(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶放大器反向輸入端的電壓變化，使輸出的信號(hào)進(jìn)行放大。二、理論分析計(jì)算 1帶寬增益積、通頻帶內(nèi)增益起伏控制、線性相位 帶寬增益積是指放大倍數(shù)為1時(shí)所對(duì)應(yīng)截至頻率的值。 本設(shè)計(jì)中所選用的芯片opa300是高速低噪聲運(yùn)算放大器和vca822是可調(diào)線性增益放大器，其性能均非常穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。 系統(tǒng)電路中opa300的帶寬增益積是150mhz,vca822的帶寬增益積也為150mhz，在發(fā)揮部分中要求3db的通頻帶為010mhz，而10mhz遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于150mhz的寬帶增益積，所以芯片能夠很好地保證通頻帶內(nèi)增益起伏變化非常小，滿足任務(wù)的要求，在本系統(tǒng)中就沒(méi)有添加對(duì)增益起伏控制的電

6、路。 由于芯片所提供的良好性能，使得信號(hào)在通頻帶內(nèi)的幅頻特性非常平坦，而線性相位是幅頻的倒數(shù)，所以線性相位在通頻帶內(nèi)也非常平坦。 2抑制直流零點(diǎn)漂移 本系統(tǒng)中，在寬帶直流放大器電路的后兩級(jí)即2片vca822的反向輸入端中加入抑制零點(diǎn)漂移的電路。電路如圖5所示 寬帶放大器的后兩級(jí)均加入抑制零點(diǎn)漂移的電路，調(diào)節(jié)10k的電位器即可。 3放大器穩(wěn)定性 本系統(tǒng)的放大器穩(wěn)定性是決定電路工作的關(guān)鍵因素，其直接影響到了電路的正常工作。所以解決了放大器的穩(wěn)定度問(wèn)題可以較順利地完成后面的任務(wù)。 頻率升高會(huì)引起電路的自激，這個(gè)問(wèn)題將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能正常工作，可在各級(jí)之間加入鐵皮盒進(jìn)行屏蔽、每一級(jí)以及電路電源部分均

7、加入電源濾波電容，將器件整體布局合理、導(dǎo)線走向簡(jiǎn)單及導(dǎo)線長(zhǎng)度盡可能短，并且讓寬帶直溜放大器的地與兩個(gè)直溜穩(wěn)壓電源三點(diǎn)共地，這些都可以有效地提供放大器的穩(wěn)定性。三、系統(tǒng)簡(jiǎn)介及單元電路分析 1系統(tǒng)簡(jiǎn)介 本系統(tǒng)是由2片可調(diào)線性電壓增益運(yùn)算放大vca822和1片高速低噪聲精準(zhǔn)運(yùn)算放大器opa300為核心構(gòu)成。系統(tǒng)原理框圖如圖6所示 系統(tǒng)主要由兩部分組成，即基本部分所要求的電路與發(fā)揮部分所要求的電路。基本部分中不用單片機(jī)進(jìn)行控制，用手動(dòng)的方式調(diào)節(jié)每一級(jí)電位器即可完成基本部分的要求；發(fā)揮部分中有要求電壓增益可預(yù)置并顯示，可在01000倍進(jìn)行調(diào)節(jié)、步距為5db、放大器的帶寬在5mhz和10mhz之間進(jìn)行預(yù)置

8、與切換，所以用at89s52對(duì)dac0832進(jìn)行控制，之后經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器將電流轉(zhuǎn)換為電壓輸入至寬帶放大器的反向輸入端，鍵入所需要的放大倍數(shù)即可完成對(duì)信號(hào)5db步距的要求。 2單元電路簡(jiǎn)介 21 直流穩(wěn)壓電源 電路電路如圖7所示. 本系統(tǒng)中的直流穩(wěn)壓電源采用了6個(gè)3端集成穩(wěn)壓器，分別提供了±15v、±12v、±5v，并用導(dǎo)線分別將其引出。為了提高直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)定性，每一片穩(wěn)壓管都安上散熱片固定的方法使得穩(wěn)壓管在工作的時(shí)候能夠有效的散熱，減小了直流穩(wěn)壓電源的熱噪聲，保證了提供給寬帶放大器電路的電壓穩(wěn)定性好，使得整個(gè)系統(tǒng)可以正常地工作。 22 寬帶直流放大器電路寬帶直流

9、放大器電路是本系統(tǒng)的核心，其是否能正常工作決定了該系統(tǒng)的成敗，所以設(shè)計(jì)好寬帶直流放大器的電路就可以完成后面的任務(wù)。電路如圖8所示寬帶直流放大器電路是由處于第一級(jí)的一片高速低噪聲芯片opa300與兩片處于二、三級(jí)的兩片可調(diào)線性增益放大器vca822級(jí)聯(lián)構(gòu)成。 第一級(jí)中，由于opa300的工作正負(fù)電源在2.5v幅左右，所以用兩片三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管tl431分別提供opa300正負(fù)電源端電壓。在電壓輸出端與反向輸入端之間接5k的電位器，當(dāng)輸入信號(hào)加入到反向輸入端時(shí)，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)電位器即可完成對(duì)信號(hào)的放大。第二級(jí)和第三級(jí)中，直接用直流穩(wěn)壓電源提供的±5v即可。通過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)的電

10、位器調(diào)節(jié)來(lái)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)信號(hào)的放大倍數(shù)來(lái)完成三級(jí)級(jí)聯(lián)對(duì)信號(hào)的放大，每一級(jí)調(diào)節(jié)的電位器均調(diào)節(jié)在使信號(hào)不失真，電路不自激的情況下即可。為了消除直流零點(diǎn)漂移，在二、三級(jí)的同相輸入端前加入10k的電位器就可以完成。 23 單片機(jī)系統(tǒng)電路 本設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)采用at89s52為控制核心，通過(guò)數(shù)據(jù)口給分別給dac0832送值；以液晶顯示屏顯示寬帶放大器的放大倍數(shù)及預(yù)置的帶寬，提供了友好的人機(jī)界面；用4個(gè)獨(dú)立按鍵來(lái)控制兩個(gè)dac0832的數(shù)據(jù)輸出變化，分別控制了二、三級(jí)的放大倍數(shù)，從而達(dá)到發(fā)揮部分中步距5db的要求。如圖9所示 24 dac0832電路 兩個(gè)dac0832電路圖原理一樣，由于輸出的電壓為03.3v

11、變化，根據(jù)vo= -（x/256）* vref ， x為單片機(jī)提供的數(shù)據(jù)、vref為基準(zhǔn)電壓，所以需要經(jīng)過(guò)三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管tl431提供-3.3v的電壓給兩片dac0832才可以得到。再經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換電路將03.3v的電壓變換為-1v+1v輸入至vca822的vg端即可。電路如圖10所示四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)嚴(yán)格依賴(lài)于硬件電路的正常工作，用軟件來(lái)完成發(fā)揮部分中電壓增益和放大器帶寬可預(yù)置顯示，預(yù)置范圍為060db步距5db可調(diào)功能。根據(jù)au2 = 10(vg2+1) = 10 * ( vdac2 /1.6 ) 6vdac2 ,au3 = 5 * ( vdac3 / 1.6 ) 3

12、 vdac3把需要的放大倍數(shù)存在程序中,軟件流程原理圖如圖11 五、系統(tǒng)測(cè)試 1主要測(cè)試儀器 rigol ds5062m 數(shù)字雙蹤示波器、直流穩(wěn)壓電源、sg1005信號(hào)發(fā)生器、gf1056高頻信號(hào)發(fā)生器 2測(cè)試方案 采用信號(hào)發(fā)生器與示波器組合的靜態(tài)法進(jìn)行幅頻特性測(cè)量 3測(cè)試結(jié)果 測(cè)量工具：rigol ds5062m 數(shù)字雙蹤示波器、sg1005信號(hào)發(fā)生器、gf1056高頻信號(hào)發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源 測(cè)量方法：在低頻下將sg1005信號(hào)發(fā)生器接入寬帶放大器的輸入端，用雙蹤示波器分別觀察信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)和放大器的輸出端，記錄兩個(gè)波形的峰峰值及有效值。 測(cè)量數(shù)據(jù)：表1（測(cè)試條件：vi rms=8mv）

13、f(hz)01001k10k100k0.3m0.7m1m1.2mvo rms(mv)860855862853858850854860863f(hz)1.5m1.8m2.1m2.5m2.7m3m3.5m4m4.5mvo rms(mv)855830840830812795763780732f(hz)5m5.5m6m7m8m9m10mvo rms(mv)693671647566520466410 由表1及觀察結(jié)果可以推出， 當(dāng)vi rms=8mv時(shí)即小于20mv時(shí)，電壓增益av最大可大863/8=107.875，滿足了av40db的要求，用手動(dòng)的方式調(diào)節(jié)放大倍數(shù)可完成040db的要求。 vo rms

14、最大值可達(dá)1.3v，沒(méi)有滿足vo rms>2v的要求，但波形未失真。 3db的截至頻率為863mv*0.707=610.141mv時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率，為6.5mhz，滿足了通頻帶在05mhz的要求。由于所用芯片opa300低噪聲，通頻帶為150mhz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于10mhz，所以通頻帶內(nèi)的增益起伏非常小，滿足1db。 放大器的輸入電阻為200，滿足ri50的要求，負(fù)載電阻r=51，滿足50±2的要求。 用集成3端穩(wěn)壓器完成了本設(shè)計(jì)所要求的直流穩(wěn)壓電源，并在正文中三-2-1進(jìn)行了詳細(xì)描述滿足了要求，其電壓數(shù)據(jù)如表2所示。表2穩(wěn)壓器型號(hào)780579057812791278157915實(shí)測(cè)

15、電壓（v）4.97-5.0111.98-11.9715.01-14.99 寬帶直流放大器的最大電壓增益在vi小于10mv的情況下可達(dá)140倍即43db，沒(méi)有滿足電壓增益60db的要求。采用低頻信號(hào)時(shí)，virms可低至5mv。輸出電壓有效值沒(méi)有滿足vorms10v，但波形始終沒(méi)有失真。 將輸入端短接，在av=100db時(shí)，用示波器觀察到輸出端的噪聲電壓峰峰值vonpp=9.6mv，滿足vonpp0.3v的要求。 測(cè)量出最大截至頻率為6.5mhz，與10mhz的截至頻率有一些差距。 利用單片機(jī)進(jìn)行控制，可達(dá)到預(yù)置的效果，對(duì)二、三級(jí)進(jìn)行程控放大，增益步進(jìn)分別為32階、16階，滿足了步進(jìn)預(yù)置的效果，并

16、且步進(jìn)小于5db，滿足要求。 采用了線性穩(wěn)壓電源并且在穩(wěn)壓器安上散熱片，紋波極低，有利于信噪比的提高。在級(jí)間加入鐵皮盒進(jìn)行屏蔽；對(duì)每個(gè)電源端及各個(gè)芯片的電源引腳都進(jìn)行電源濾波；使器件及導(dǎo)線均布局合理緊密；使電源及器件的三地公用一點(diǎn)即單點(diǎn)共地，這些都較好的改善放大器的性能。 六、總結(jié) 在此次課程設(shè)計(jì)期間，我們小組3個(gè)人完成了任務(wù)的基本要求，并能夠正常工作，但是對(duì)于未能夠完成任務(wù)的部分要求而感到有些不足。 總結(jié)了原因有以下幾點(diǎn)： 個(gè)人的能力水平有限，還不能夠解決某些問(wèn)題，導(dǎo)致了系統(tǒng)沒(méi)有全部完成，需要在以后多多提高自己的能力； 由于是信號(hào)放大的題目，高頻信號(hào)對(duì)于器件的布局以及導(dǎo)線的走向都要求極高，我們用萬(wàn)能焊接板的方法不足以消除分布參數(shù)以及導(dǎo)線的長(zhǎng)度帶來(lái)的全部問(wèn)題，如果能夠用pcb進(jìn)行合理的布局，情況會(huì)很好的改善； 在調(diào)試過(guò)程中，總是遇到電路自激的現(xiàn)象，而且不能很好的解決，在安上鐵皮盒對(duì)級(jí)間進(jìn)行屏蔽、地線很好的共地連接后，電路的自激現(xiàn)象得到明顯的改善，但是沒(méi)有能夠?qū)崿F(xiàn)放大1000倍的要