寬帶直流放大器設(shè)計(jì)方案方案

1、寬帶直流放大器方案設(shè)計(jì)一、方案的選擇和論證分析題目要求，設(shè)計(jì)需要滿足以下幾個(gè)技術(shù)指標(biāo)：在輸入電壓有效值Vi < 10 mV情況下放大器電壓增益必須大于 60dB，且電壓增益為60dB時(shí)，輸出端噪聲電壓的 峰峰值 VONP巨0.3V。另外，3dB通頻帶010MHz ;在09MHz通頻帶內(nèi)增 益起伏w 1dB能為50歐姆的負(fù)載輸出正弦有效值 10V的電壓?；谝陨弦螅覀儼颜麄€(gè)放大器分為 5個(gè)板塊來(lái)設(shè)計(jì)。前置緩沖級(jí)，中間增 益可調(diào)放大級(jí)，后級(jí)功率放大電路，電源部分和濾波器。系統(tǒng)總體框圖：賣流穩(wěn)壓電聽兩肖綏沖第OPA420卑片機(jī)1LCD 1602JB9C51血1OM Hz負(fù)1. 前置緩沖級(jí)方

2、案論證2方案一：采用寬帶高精度集成運(yùn)放。緩沖級(jí)對(duì)整個(gè)放大電路來(lái)說(shuō)尤為重要，高質(zhì)量的前級(jí)是放大電路的基本保障， 故本設(shè)計(jì)中采用寬帶高精度低噪聲運(yùn)算放大器OPA620構(gòu)成電壓增益為6dB的緩沖級(jí)。該運(yùn)放增益寬帶乘積為 200M赫茲，能很好的滿足題目要求。方案二：采用普通運(yùn)放。普通運(yùn)放雖然價(jià)格稍低，但是帶寬和精度都十分有限，理論上雖然能用反饋的 方式擴(kuò)寬通頻帶，但是題目要求的 10M赫茲頻帶太寬，故普通低價(jià)的運(yùn)放很難達(dá)到 實(shí)驗(yàn)要求。比較上述兩種方案，方案一能更好的完善題要求的指標(biāo)，方案二雖然成本較低， 但是不容易達(dá)到題目要求，且前級(jí)配置的高低對(duì)后級(jí)電路影響很大。故選擇方案一。2. 中間增益放大級(jí)方案

3、論證方案一：采用三極管構(gòu)成多級(jí)放大電路若用分立元件構(gòu)成60dB放大器，則須采用三極管構(gòu)成的多級(jí)放大器。此方案 有選材方便和成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但是選擇性能合適的三級(jí)管比較費(fèi)時(shí)間，選擇合適 的三極管配對(duì)組合更是不容易，并且題目給出的指標(biāo)較高，三級(jí)管構(gòu)成的多級(jí)放大 器容易引起更多的干擾，影響放大質(zhì)量。此外，晶體管構(gòu)成的多級(jí)放大電路不易實(shí) 現(xiàn)大范圍的增益連續(xù)可調(diào)，這是相比于集成運(yùn)算放大器的又一大缺點(diǎn)。所以，我們 對(duì)下一種方案進(jìn)行論證。方案二：使用集成運(yùn)放 OPA620構(gòu)成2級(jí)放大單個(gè)OPA620的增益可調(diào)范圍為-20bB +20dB，采用兩級(jí)相連，則可以實(shí) 現(xiàn)-40dB-+40dB的可調(diào)范圍。從廠商的數(shù)

4、據(jù)手冊(cè)可以看出，OPA620外圍電路簡(jiǎn)單，容易操控，通頻帶內(nèi)增益起伏小于0.05dB,且放大效果較好。但是若要求實(shí)現(xiàn)提高部分0-60dB全范圍的連續(xù)可調(diào)，兩級(jí) OPA620放大則不能達(dá)到題目要求。方案三：使用低噪聲增益可控放大器AD603使用兩級(jí)AD603構(gòu)成的增益可調(diào)放大電路。AD603是主要用于RF和IF AGC系統(tǒng)的低噪聲可調(diào)增益放大器，它具有引腳可 編程增益功能，可以使用一個(gè)外部電阻設(shè)置增益范圍內(nèi)的任何增益子范圍，控制接 口可以輸入差分電壓，也可以輸入單端的正控制或負(fù)控制電壓，使用十分方便。單 級(jí)AD603便可以實(shí)現(xiàn)0-40dB的電壓放大，且該增益范圍內(nèi)有 30MHz的頻帶寬，性 能優(yōu)

5、異，如果采用兩級(jí)連放，理論上可以實(shí)現(xiàn)0-80dB的增益可調(diào)范圍，能滿足題目要求。其次，AD603構(gòu)成的增益可控放大電路有很大的提升空間，可以通過(guò)電位器 獲取基準(zhǔn)電壓進(jìn)行手動(dòng)控制，通過(guò)模擬開關(guān)連接電阻器實(shí)現(xiàn)增益程控，通過(guò)單片機(jī) 配合DAC模塊實(shí)現(xiàn)不同精度的增益數(shù)控。所以比較上述兩種方案，AD603與OPA620相比，容易實(shí)現(xiàn)增益數(shù)控，AD603 有更高的性價(jià)比，我們最終選擇方案三。3. 增益控制電路方案一:單片機(jī)和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)使用89C51單片機(jī)，選擇穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，配合 DAC0832輸出電壓信號(hào)控制 AD603，從而實(shí)現(xiàn)增益數(shù)控。DAC0832是采樣頻率為8位的D/A轉(zhuǎn)換芯片，集

6、成電路內(nèi)有兩級(jí)輸入寄存器，D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出，理論精度為1/256,能滿足增益步進(jìn)5dB的要求。該芯片價(jià)格便宜，使用方便，算是較常用的8位DAC芯片。該芯片為電流輸出型，若采用該芯片實(shí)現(xiàn) AD603的增益可控，則須在輸出端加上運(yùn)算放大器LM324，實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換，從而穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)。方案二：?jiǎn)纹瑱C(jī)、模擬開關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)使用89C51單片機(jī)，配合模擬開關(guān)控制不少于12個(gè)串聯(lián)的電阻，通過(guò)取得電阻上的穩(wěn)定電壓控制 AD603，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)為5dB的增益數(shù)控。模擬開關(guān)控制電阻網(wǎng) 絡(luò)與DAC模塊工作原理相似，但是精度就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如8位DAC,并且使用模擬開關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大了控制

7、電路，電路集成度降低，弓I入更多的干擾因素。再者，從成 本上看來(lái)，該方案也是不經(jīng)濟(jì)的。方案三：滑動(dòng)變阻器實(shí)現(xiàn)增益手動(dòng)可調(diào)通過(guò)電位器獲取與基準(zhǔn)電壓成一定比例的控制電壓輸入AD603控制端，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)增益可調(diào)。該方案很容易實(shí)現(xiàn)增益連續(xù)可調(diào)，相比以上兩種方案成本是最低的，理論控制 精度最咼，精度僅有電阻器可調(diào)精度決定，但是此方案僅適用于固定范圍內(nèi)的手動(dòng) 調(diào)節(jié)，在操作上有一定的局限性，偏離當(dāng)今電子類產(chǎn)品智能化、高效化發(fā)展的主題。 通過(guò)上述方案比較，我們選擇方案一，單片機(jī) 89C51 和 DAC0832 實(shí)現(xiàn)增益連 續(xù)可調(diào)，并可充分利用單片機(jī)拓展顯示和預(yù)置功能。4. 后級(jí)功率放大電路 方案一：采用分立元件

8、搭建 若采用分立元件，使用大功率、高速三極管推挽輸出可以提高放大器的輸出功， 驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，但這種電路溫度漂移嚴(yán)重，低頻及直流時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響輸出效果。并 且元器件較多，布線與調(diào)試繁瑣、抗干擾能力較差。方案二：利用集成功率放大實(shí)現(xiàn) 若采用集成電路芯片，則電路簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便、性能穩(wěn)定。但集成功放一般用 于音頻放大，難以實(shí)現(xiàn)題目要求的帶寬。方案三：采用集成運(yùn)放配合分立元件搭建的后級(jí)功率放大 前級(jí)由運(yùn)放對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大 ,后級(jí)由分立元件搭成功率放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行功 率放大。本模塊選用 THS3091 配合高頻功率對(duì)管 2N2905A 和 2N2219A 晶體三極管構(gòu) 成準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱的功放電路。相比直接由兩片

9、集成運(yùn)放并聯(lián)級(jí)構(gòu)成的功放電路具有更 高的輸出功率和更強(qiáng)的帶負(fù)載能力。方案四：由高輸出電流及電壓型運(yùn)放并聯(lián)構(gòu)成功率型放大器 本方案直接使用三個(gè) THS3091 并聯(lián)組成后級(jí)功放電路。 THS3091 為高電壓低失真 高電流輸出運(yùn)放，三個(gè) THS3091 并聯(lián)構(gòu)成的末級(jí)功率放大電路，比方案三中 THS3091 配合高頻功率管構(gòu)成的功放更加穩(wěn)定，電路簡(jiǎn)單可靠，調(diào)試方便，這樣大大節(jié)約了 設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了效率，且容易達(dá)到設(shè)計(jì)的要求指標(biāo)。綜上所述，我們選擇方案四。5. 直流電源部分 方案一：線性穩(wěn)壓電源 線性穩(wěn)壓電源具有低成本，使用方便，穩(wěn)壓性能較好，輸出紋波小等優(yōu)點(diǎn)，由 于線性集成穩(wěn)壓電路輸出電流不大，

10、所以僅適用于小功率應(yīng)用場(chǎng)合。使用W317、LM7805、LM7905分別設(shè)計(jì)±18V和i5V的直流穩(wěn)壓電源。性集成穩(wěn)壓器 W317具有 較高性能指標(biāo)，電壓調(diào)整率可達(dá) 0.02%，電流調(diào)整率可達(dá) 0.1%以上，紋波抑制比為 66dB。方案二：開關(guān)型穩(wěn)壓電源 開關(guān)型穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)是工作效率高，特別適合于大功率輸出電路。而電源電 路中開關(guān)晶體管帶來(lái)額外的噪聲，消除噪聲干擾必須附加較多的電感、電容等元器 件，因而成本相對(duì)較高。為了合理滿足整個(gè)放大系統(tǒng)的供電需求，我們選擇方案一。二、理論分析與參數(shù)計(jì)算1.帶寬增益積帶寬增益積（GBP）是用來(lái)衡量放大器性能的一個(gè)參數(shù)。這個(gè)參數(shù)表示增益和帶 寬的乘

11、積，且對(duì)于電壓反饋型運(yùn)放這一乘積是一常數(shù)。題目要求放大器電壓增益 Av大于等于60dB,即Gain 1000V/V.通頻帶0 10MHz 所以本放大器的帶寬增益積為GBP=1000*10M=10G單個(gè)放大器很難達(dá)到10G的帶寬增益積，因此要考慮多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)。并根據(jù) 各放大器的增益帶寬積合理地配置其增益和帶寬。根據(jù)所用放大器元件，我們將系 統(tǒng)主要指標(biāo)分配為：(1)前級(jí)緩沖級(jí)：增益為 6dB，帶寬大于30MHz;中間放大級(jí)：增益為 40dB,帶寬為30MHz;末級(jí)放大級(jí)：增益為 18dB,帶寬大于11.6MHz。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)總增益多于 60dB的放大，帶寬大于10MHz。2通頻帶內(nèi)增益起伏控制由于

12、各運(yùn)放器件及濾波器的幅頻特性不平坦等諸多因素，系統(tǒng)通頻帶內(nèi)增益會(huì)起伏。題目要求在 09MHz的通頻帶內(nèi)，增益起伏小于 1dB。因各級(jí)增益是對(duì)數(shù)相 加的關(guān)系，可分別對(duì)各級(jí)進(jìn)行增益起伏控制。(1) 前級(jí)緩沖級(jí)：選擇增益平坦度較小的運(yùn)放，使用OPA620,其增益平坦度為0.05dB(2) 中間級(jí)聯(lián)放大級(jí)：中間放大級(jí)增益最大，增益起伏主要來(lái)自于這一級(jí)。 使用兩片AD603級(jí)聯(lián)增益平坦度為0.2dB末級(jí)放大級(jí)：65MHz帶寬增益平坦度為 0.1dB(4) 濾波器：增益平坦度為 0.1dB 總增益平坦度為 0.45dB<1dB(5) 另外，直流供電的穩(wěn)定性也會(huì)對(duì)各級(jí)放大產(chǎn)生影響。需要對(duì)直流電源輸 入

13、作電容電感的；型濾波，有效濾除低頻波紋和高頻分量。3線性相位線性相位就是從系統(tǒng)的頻率響應(yīng)來(lái)看，要求其相頻特性是一條經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的直線，即"to ,此時(shí)，信號(hào)傳輸不會(huì)產(chǎn)生相位失真。對(duì)于傳輸系統(tǒng)相頻特性另一種描述方法是群延時(shí)T定義t= 從各芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)的相頻特性曲線看, 件仿真，從相頻特性曲線(圖 3-2) 型相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與濾波器級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn), 的群延時(shí)波動(dòng)減小。本系統(tǒng)各放大模塊采用的放大器,不是線性相位的。橢圓濾波器通過(guò)濾波器軟 看也不是線性的。線性相位可以通過(guò)一個(gè)全通不會(huì)降低濾波器的幅頻特性，可將整個(gè)系統(tǒng)4抑制直流零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移是直流放大器直流工作點(diǎn)的漸進(jìn)的慢變化。產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的因數(shù)很多

14、， 電路中任何元器件參數(shù)的變化，供電電源的波動(dòng)，都會(huì)造成輸出電壓的漂移。但主 要因數(shù)還是溫度的影響。零漂是一種不規(guī)則的緩慢變化，增益越大，放大級(jí)數(shù)越多, 在輸出端出現(xiàn)的零漂現(xiàn)象越嚴(yán)重，因此主要考慮放大電路第一級(jí)零漂的抑制。所以 要選擇寬帶的低噪聲，低失真的高精度運(yùn)放做為前級(jí)緩沖器，并作相應(yīng)的補(bǔ)償電路。5放大器穩(wěn)定性在放大器電路中為了提高運(yùn)算精度，在電路中加入了負(fù)反饋回路，且負(fù)反饋越 深，閉環(huán)特性越好。但在級(jí)聯(lián)運(yùn)放放大電路中，工作頻率較高時(shí)，它所產(chǎn)生的附加 相移可能會(huì)使負(fù)反饋回路的開環(huán)增益下降到1而達(dá)到180°使原來(lái)處于負(fù)反饋的回路的放大器轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢煽氐恼答仩顟B(tài)，產(chǎn)生自激振蕩，破壞放

15、大器的正常工作。放大器不自激的條件是：當(dāng)Ad ( j叭F時(shí)即(怡)<兀戟即(血|二土(2|n+1時(shí)Ad F) FF)< 1本設(shè)計(jì)的前置放大電路采取單級(jí)運(yùn)放負(fù)反饋，保證了放大器在反饋條件下穩(wěn)定運(yùn) 行。末級(jí)功放運(yùn)用相位補(bǔ)償技術(shù)，加入補(bǔ)償電容調(diào)整末級(jí)功放的開環(huán)特性。三、電路設(shè)計(jì)1.輸入緩沖級(jí)前置緩沖級(jí)采用寬帶高精度運(yùn)放 OPA620,它具有很低的輸入噪聲電流和電壓， 分別為2.3pA/Hz?和2.3nV/Hz?,其增益帶寬積為200MHz，作前置緩沖級(jí)不需要高增 益的要求，只須保證小信號(hào)的充分放大，低噪聲的供給下一級(jí)放大電路即可。另外， 該電路必須加入調(diào)零電路，補(bǔ)償靜態(tài)時(shí)輸入失調(diào)電壓造成

16、的輸出偏移。電路如圖3-1所示：Rrs+$-5RPfl 22K圖3-12通頻帶選擇電路通過(guò)單片機(jī)一個(gè)10 口控制繼電器，切換 5M和10M通頻帶，電路如圖3-2所示JDQ前置輸出分檔濾波< 10M>KQ17013H1N414S+5-+5-GND圖3-23.橢圓濾波器我們使用Filter Solutions分別設(shè)計(jì)了 -3dB截止頻率為5MHz和10MHz的九階無(wú)源橢圓濾波器。并通過(guò)仿真軟件對(duì)電容電感值做調(diào)整。圖3-2分別為5MHz和10MHz的橢圓濾波器電路及其幅頻特性曲線圖。L1C12HPgT 1T J 1(10LCD圖3-34中間放大級(jí)AD603有20mV的輸出失調(diào)電壓，該電壓

17、會(huì)被逐級(jí)放大，當(dāng)增益較大時(shí)，放 大后的回波信號(hào)直流電位會(huì)大大偏離零點(diǎn)，導(dǎo)致輸出波形信號(hào)頂部和底部出現(xiàn)嚴(yán)重 的非線性失真。由于 AD603本身沒(méi)有設(shè)置調(diào)零控制端，所以只能在AD603輸入端加入直流偏移調(diào)零電路。圖 3-4中AGC為單片機(jī)DAC控制增益信號(hào)接口。圖3-45單片機(jī)控制、顯示電路本設(shè)計(jì)中采用適合于電路控制的單片機(jī)89C51作為主要控制模塊，用其控制AD0832實(shí)現(xiàn)AD603的增益數(shù)控，控制繼電器實(shí)現(xiàn)不同通頻帶的切換，并通過(guò)LCD1602顯示放大器的通頻帶和增益。C1iirS3p_LX1 U1XTAL1XTAL2RSTPO.O/ADDPC.1/AD1 PO J2/AD2 P0.3/AD3

18、 P0.4WD4PO 5/AD5PO.6/AD&P0.7/AD7RP2FSEN ALEP2.D/A 白P2.1/A&IP2.2/A1DP2.3/A11P2.4W12P2.5W13P2.6W14P2 715帥1Al 23A3 4P3J3YRXDP3.17TXDP3.2/INTDP3.如rrrP3.4/T0P3.5TT1P3.6/WRP3.7/RD繼電器模擬R4KILM01I6LLCD1602.5 n q q o a 2 oifij oaCC ILl g A2i_r22 - 7*3SDO1D243Z5D47SDTIESPACK-BRV1iT 612 e13LED-REDATS9C51圖 3-5-1圖 3-5-26后級(jí)功放電路THS3091，其輸入共模電壓范圍后級(jí)功率放大采用高電壓低失真電流反饋型運(yùn)放為士 13.6V輸出電