寬帶直流放大器相關(guān)知識

1、2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽 寬帶直流放大器寬帶直流放大器2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽(C題)2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽一、賽題要求1基本要求基本要求（1）電壓增益AV40dB，輸入電壓有效值Vi20mV。AV可在040dB范圍內(nèi)手動連續(xù)調(diào)節(jié)。（2）最大輸出電壓正弦波有效值Vo2V，輸出信號波形無明顯失真。（3）3dB通頻帶05MHz；在04MHz通頻帶內(nèi)增益起伏1dB。 （4）放大器的輸入電阻50，負(fù)載電阻（502）。（5）設(shè)計并制作滿足放大器要求所用的直流穩(wěn)壓電源。2發(fā)揮部分發(fā)揮部分（1）最大電壓增益AV60dB，輸入電壓有效值Vi10 mV。（2）在AV60dB時，輸出端噪

2、聲電壓的峰峰值VONPP0.3V。（3）3dB通頻帶010MHz；在09MHz通頻帶內(nèi)增益起伏1dB。（4）最大輸出電壓正弦波有效值Vo10V，輸出信號波形無明顯失真。 （5）進(jìn)一步降低輸入電壓提高放大器的電壓增益。（6）電壓增益AV可預(yù)置并顯示，預(yù)置范圍為060dB，步距為5dB（也可以連續(xù)調(diào)節(jié)）；放大器的帶寬可預(yù)置并顯示（至少5MHz、 10MHz 兩點）。（7）降低放大器的制作成本，提高電源效率。（8）其他（例如改善放大器性能的其它措施等）。2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽二、評分標(biāo)準(zhǔn)2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽三、試題分析及準(zhǔn)備知識1、直流放大器直流放大器：在自動控制及自動測量系統(tǒng)

3、中，需要把一些非電量（如溫度、轉(zhuǎn)速、壓力）等參數(shù)通過傳感器轉(zhuǎn)變成電信號，這些微弱的電信號經(jīng)放大后就可以推動測量、記錄機(jī)構(gòu)或控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實現(xiàn)自動控制或自動測量。這些電信號大都是變化極為緩慢、且極性固定不變的非周期性信號（直流信號），它需要直流放大器放大。寬帶直流放大器通頻帶必須從0開始 。2、電壓增益電壓增益： AV20LOG（Vo/Vi）電壓增益AV40dB，不是指輸出電壓幅值除以輸入電壓幅值，而是指20LOG（輸出電壓幅值/輸入電壓幅值），也就是輸出輸入電壓的商的10為底的對數(shù)的20倍。40db表示輸出電壓與輸入電壓之比為100倍。2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽三、試題分析及準(zhǔn)備知識

4、3、通頻帶通頻帶：用于衡量放大電路對不同頻率信號的放大能力。下限截止頻率fL：在信號頻率下降到一定程度時，放大倍數(shù)的數(shù)值明顯下降，使放大倍數(shù)的數(shù)值等于0.707倍的頻率稱為下 限截止頻率fL。上限截止頻率fH：信號頻率上升到一定程度時，放大倍數(shù)的數(shù)值也將下降，使放大倍數(shù)的數(shù)值等于0.707倍的頻率稱為上限截止頻率fH。通頻帶fbw：fbwfHfL或者定義為：在信號傳輸系統(tǒng)中,系統(tǒng)輸出信號從最大值衰減3dB的信號頻率為截止頻率,上下截止頻率之間的頻帶稱為通頻帶,用BW表示通頻帶越寬，表明放大電路對不同頻率信號的適應(yīng)能力越強(qiáng)。2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽三、試題分析及準(zhǔn)備知識4、零點漂移零點漂

5、移：由于直流放大器直接耦合，其中有任何一點靜態(tài)電位的變動，都有會經(jīng)耦合放大后在輸出中呈現(xiàn)出來，即使沒有輸入信號，由于溫度的變化和電源電壓不穩(wěn)定的影響，輸出端也會出現(xiàn)電壓的緩慢變動，這種現(xiàn)象叫做零點漂移。直流放大器中，前級的零點漂移會被逐級放大，以致在最后一級的輸出端產(chǎn)生很大的漂移電壓，而這種漂移信號與直流放大器所放大的緩慢變化的信號又十分相似，所以當(dāng)漂移嚴(yán)重時，就無法分辨清輸出電壓的變化性質(zhì)，它究竟是由于輸入信號的變化引起的，還是因零點漂移而造成的。5、線性相位線性相位：一個單一頻率的正弦信號通過一個系統(tǒng)，假設(shè)它通過這個系統(tǒng)的時間需要t，則這個信號的輸出相位落后原來信號wt的相位。可以看出，一

6、個正弦信號通過一個系統(tǒng)落后的相位等于它的w*t；反過來說，如果一個頻率為w的正弦信號通過系統(tǒng)后，它的相位落后delta，則該信號被延遲了delta/w的時間。在實際系統(tǒng)中，一個輸入信號可以分解為多個正弦信號的疊加，為了使得輸出信號不會產(chǎn)生相位失真，必須要求它所包含的這些正弦信號通過系統(tǒng)的時間是一樣的。因此每一個正弦信號的相位分別落后，w1*t，w2*t，w3*t。落后的相位正比于頻率w，如果超前，超前相位的大小也是正比于頻率w。 2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽四、設(shè)計部分 1、系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖 輸入信號通過前置放大器實現(xiàn)了輸入電阻50的要求，經(jīng)放大倍數(shù)最大為60dB、通頻帶為10MHz的中間

7、級放大器，將信號放大至1000倍，再經(jīng)過通頻帶選擇網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)放大器通頻帶預(yù)置，最后經(jīng)末級放大器達(dá)到了輸出功率的指標(biāo)要求。整個過程中，控制器控制電壓增益和通頻帶帶寬的預(yù)置輸入與顯示 。圖1 寬帶直流放大器系統(tǒng)框圖 前置放大器中間級放大通頻帶選擇網(wǎng)絡(luò)末級放大器顯示控制器自制穩(wěn)壓電源預(yù)置輸入信號輸入Vin信號輸出Vout220V50hz2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽2、硬件電路設(shè)計、硬件電路設(shè)計（1）前級放大電路）前級放大電路 前置放大電路使用電壓跟隨器實現(xiàn)，如圖2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50100之間，若電壓跟隨器的阻抗為Rj，圖2電路的輸入

8、阻抗為。實際電路取Rk=100,則50。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，運算放大器選用OPA642，此放大器的增益帶寬積為400MHz。kkkkRRRRRRRRjjjni/圖22009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽補充：電壓跟隨器補充：電壓跟隨器 電壓跟隨器，顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。電壓跟隨器的顯著特點就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低。 在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級及隔離級。因為，電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾

9、千歐到幾十千歐，如果后級的輸入阻抗比較小，那么信號就會有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級的輸出電阻中。在這個時候，就需要電壓跟隨器來從中進(jìn)行緩沖。起到承上啟下的作用。應(yīng)用電壓跟隨器的另外一個好處就是，提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應(yīng)用高品質(zhì)的電容提供了前提保證。 電壓跟隨作用：由于它的高輸入電阻、低輸出電阻，所以電壓跟隨器起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用，完成阻抗匹配的功能。 2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽 本級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，實現(xiàn)增益從22dB到42dB可控，并能實現(xiàn)增益為5dB步進(jìn) 可調(diào)。圖4 中間級放大原理圖

10、（2）中間級放大電路）中間級放大電路2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽（2）中間級放大電路）中間級放大電路 由OPA620的幅頻和相頻特性（如圖3所示）得，當(dāng)單級閉環(huán)放大器的增益為20dB時，線性相位為零的最大頻率約為3MHz10MHz，由此得出當(dāng)單級閉環(huán)增益16dB時，通頻帶為12.5MHz，滿足通頻帶帶寬的設(shè)計要求。圖3 OPA620的幅頻和相頻特性 BMHMHMHdBAd20z10z200z10)(增益帶寬積增益帶寬積模塊增益帶寬積模塊 OPA620集成運放的開環(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)成的單級閉環(huán)放大器的最大增益不能大于 若同時獲

11、得60dB電壓增益，至少需要四級放大。第一級放大器，取R1=100，R2 =100，由公式 dB，得R3=530，Av1 =6.3倍；同理可得第二級放大器： R6 =630， Av2 =6.3倍。16) RR20lg(1 20lgAv2312009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽增益控制模塊增益控制模塊 在兩級6.3倍（16dB）單閉環(huán)放大器級聯(lián)后，再級聯(lián)一級可變增益放大器（AD603），以實現(xiàn)對電壓增益預(yù)置和步進(jìn)電壓增益預(yù)置和步進(jìn)的控制，如圖5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D/

12、A（將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的模擬電壓量Ug）來控制AD603的放大倍數(shù)，中放的最大增益=AGdB+16dB2。設(shè)計時Ug取值范圍為-0.50，從而實現(xiàn)增益從22dB到42dB可控，并能實現(xiàn)增益為5dB步進(jìn)。 圖5 增益控制模塊原理圖 2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽補充：補充：AD603 當(dāng)腳5和腳7短接時，AD603的增益為40Vg+10，這時的增益范圍在-1030dB。當(dāng)腳5和腳7斷開時，其增益為40Vg+30，這時的增益范圍為1050dB。如果在5腳和7腳接上電阻，其增益范圍將處于上述兩者之間。 AD603的增益控制接口的輸入阻抗很高，在多通道或級聯(lián)應(yīng)用中，一個控制電壓可以驅(qū)動多個運放；同時

13、，其增益控制接口還具有差分輸入能力，設(shè)計時可根據(jù)信號電平和極性選擇合適的控制方案。2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽（3）末級放大電路）末級放大電路 當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載電阻為（502）時，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)動負(fù)載的能力，需經(jīng)末級功率放大電路放大后才能達(dá)到系統(tǒng)對輸出功率的要求。參考音頻放大器中驅(qū)動級電路，考慮到負(fù)載電阻為（502），輸出有效值大于10V，末級采用兩級三極管直接耦合功率放大器，如圖6所示。末級放大電路的電壓增益在第一級，第二級采用了一對孿生功放管D669A和B649A（特征頻率fT=140MHz，Ic=1

14、.5A）進(jìn)行功率放大。整個電路設(shè)計有頻率補償，可對0到10MHz的信號進(jìn)行線性放大，放大倍數(shù) 在實際制作過程中通過調(diào)節(jié)可變電阻R10調(diào)整反饋深度獲得20dB增益，使整個放大器的總增益為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。18/121r )1 (176be2RRRRAV）（o2RUP W08. 225010P2max2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽圖6 末級放大原理圖 2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽（4）各級增益控制）各級增益控制 通過放大電路，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

15、dB和42 dB，如圖7所示，可實現(xiàn)系統(tǒng)增益分別在020 dB、22 42 dB和4262 dB間變化，再結(jié)合增益控制模塊實現(xiàn)了系統(tǒng)增益手動連續(xù)可調(diào)、5 dB步進(jìn)和預(yù)置。實驗測試得，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，輸入信號頻率在1MHZ以上時，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)行頻率補償。采用三組繼電器對增益范圍進(jìn)行切換，由單片機(jī)的I/O口P2.0、P2.1和P2.2控制繼電器的動作。 圖7 增益衰減網(wǎng)絡(luò)2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽（5）通頻帶選擇網(wǎng)絡(luò)）通頻帶選擇網(wǎng)絡(luò) 通過對繼電器L1和L2觸點的控制實現(xiàn)了系統(tǒng)通頻帶05MHz和

16、010MHz兩個范圍預(yù)置，如圖8所示。系統(tǒng)默認(rèn)選擇10MHz通頻帶。通過鍵盤選擇通頻帶，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，繼電器的觸點動作，使輸入信號V2經(jīng)5MHz的低通濾波器輸出，即實現(xiàn)了預(yù)置05MHz的通頻帶 圖8 通頻帶選擇網(wǎng)絡(luò) 2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽（6）電源模塊）電源模塊 電源電路原理圖如圖9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電容起濾除紋波作用，輸出分別為 、 提供給各單元電路。圖9電源電路原理圖 V5V182009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽n（1）抑制直流零點漂移）抑制直流零點漂移n實際設(shè)計電路時，輸出漂移較為明顯，由實驗測得，單級OPA620產(chǎn)生的零點漂移是負(fù)漂移。中放設(shè)計中我們抑制漂移的方法是，輸入信號從第一級運放的正向端輸入，輸出至第二級運放的反向輸入