寬帶直流放大器

1、 寬帶直流放大器寬帶直流放大器2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽(C題)2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽一、賽題要求1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(dòng)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(hào)波形無(wú)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(jì)并制作滿足放大器要求所用的直流穩(wěn)壓電源。2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽2 2發(fā)揮部分發(fā)揮部分（1 1）最大電壓增益）最大電壓增益A AV60dBV60dB，輸入電壓有效值，輸入電壓有效值V

2、Vi10 mVi10 mV。（2 2）在）在A AV V60dB60dB時(shí)，輸出端噪聲電壓的峰峰值時(shí)，輸出端噪聲電壓的峰峰值V VONPP0.3VONPP0.3V。（3 3）3dB3dB通頻帶通頻帶0 010MHz10MHz；在；在0 09MHz9MHz通頻帶內(nèi)增益起伏通頻帶內(nèi)增益起伏1dB1dB。（4 4）最大輸出電壓正弦波有效值）最大輸出電壓正弦波有效值V Vo10Vo10V，輸出信號(hào)波形無(wú)，輸出信號(hào)波形無(wú)明顯失真。明顯失真。 （5 5）進(jìn)一步降低輸入電壓提高放大器的電壓增益。）進(jìn)一步降低輸入電壓提高放大器的電壓增益。（6 6）電壓增益）電壓增益A AV V可預(yù)置并顯示，預(yù)置范圍為可預(yù)置并

3、顯示，預(yù)置范圍為0 060dB60dB，步距，步距為為5dB5dB（也可以連續(xù)調(diào)節(jié)）；放大器的帶寬可預(yù)置并顯示（至（也可以連續(xù)調(diào)節(jié)）；放大器的帶寬可預(yù)置并顯示（至少少5MHz5MHz、 10MHz 10MHz 兩點(diǎn)）。兩點(diǎn)）。（7 7）降低放大器的制作成本，提高電源效率。）降低放大器的制作成本，提高電源效率。（8 8）其他（例如改善放大器性能的其它措施等）。）其他（例如改善放大器性能的其它措施等）。一、賽題要求2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽二、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽二、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽三、試題分析及準(zhǔn)備知識(shí)1 1、直流放大器：、直流放大器： 在自動(dòng)控

4、制及自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中，需要把一些非電量（如溫度、轉(zhuǎn)速、壓力）等參數(shù)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，這些微弱的電信號(hào)經(jīng)放大后就可以推動(dòng)測(cè)量、記錄機(jī)構(gòu)或控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制或自動(dòng)測(cè)量。 這些電信號(hào)大都是變化極為緩慢、且極性固定不變的非周期性信號(hào)（直流信號(hào)），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(kāi)始 。2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽三、試題分析及準(zhǔn)備知識(shí)2 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(duì)數(shù)的20倍。 40db表示輸

5、出電壓與輸入電壓之比為100倍。 60db表示輸出電壓與輸入電壓之比為1000倍。2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽三、試題分析及準(zhǔn)備知識(shí)3、通頻帶通頻帶： 用于衡量放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的放大能力。 下限截止頻率fL：在信號(hào)頻率下降到一定程度時(shí)，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(hào)頻率上升到一定程度時(shí)，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。2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽三、試題分析及準(zhǔn)備知識(shí) 通頻帶fbw：fbwfHfL 或定義為：在信號(hào)傳輸系統(tǒng)中,系統(tǒng)輸出信號(hào)從最大值衰減3

6、dB的信號(hào)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(duì)不同頻率信號(hào)的適應(yīng)能力越強(qiáng)。 通頻帶越窄，表明電路對(duì)通頻帶中心頻率的選擇能力越強(qiáng)。2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽三、試題分析及準(zhǔn)備知識(shí)4、零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移： 由于直流放大器直接耦合，其中有任何一點(diǎn)靜態(tài)電位的變動(dòng)，都有會(huì)經(jīng)耦合放大后在輸出中呈現(xiàn)出來(lái)，即使沒(méi)有輸入信號(hào)，由于溫度的變化和電源電壓不穩(wěn)定的影響，輸出端也會(huì)出現(xiàn)電壓的緩慢變動(dòng)，這種現(xiàn)象叫做零點(diǎn)漂移。 直流放大器中，前級(jí)的零點(diǎn)漂移會(huì)被逐級(jí)放大，以致在最后一級(jí)的輸出端產(chǎn)生很大的漂移電壓，而這種漂移信號(hào)與直流放大器所放大的緩慢變化的信號(hào)又十分相

7、似，所以當(dāng)漂移嚴(yán)重時(shí)，就無(wú)法分辨清輸出電壓的變化性質(zhì)，它究竟是由于輸入信號(hào)的變化引起的，還是因零點(diǎn)漂移而造成的。2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽三、試題分析及準(zhǔn)備知識(shí)5、線性相位線性相位： 假設(shè)某個(gè)頻率的正弦信號(hào)通過(guò)一個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間需要T，則這個(gè)信號(hào)的輸出相位落后原來(lái)信號(hào)wT 的相位。則該信號(hào)被延遲了。 在實(shí)際系統(tǒng)中，一個(gè)輸入信號(hào)可以分解為多個(gè)正弦信號(hào)的疊加，為了使得輸出信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生相位失真，必須要求它所包含的這些正弦信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)的時(shí)間延遲是一樣的,則要求落后的相位要正比于頻率w。 從系統(tǒng)的頻率響應(yīng)來(lái)看，就是要求它的相頻特性是一條直線。2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽四、方案選擇與論證 分析設(shè)計(jì)

8、題目的各項(xiàng)要求，放大器的增益調(diào)節(jié)是本題的重點(diǎn)，而功率放大的設(shè)計(jì)是本題的難點(diǎn)，也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。對(duì)此，做以下的方案選擇與論證。1、可控增益放大器、可控增益放大器方案一：方案一：采用多級(jí)放大的級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)可控增益放大。每一級(jí)設(shè)置不同的增益檔位，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選擇各級(jí)放大倍數(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的級(jí)聯(lián)放大，最終實(shí)現(xiàn)的增益等于各級(jí)的增益之和。此方案實(shí)現(xiàn)原理簡(jiǎn)單，但需使用較多的模擬開(kāi)關(guān)及和放大器且級(jí)聯(lián)的運(yùn)放較多，增加了系統(tǒng)的成本和不穩(wěn)定性，尤其是各級(jí)的寄生電容等也會(huì)增加放大器級(jí)聯(lián)調(diào)試的難度,降低放大器的穩(wěn)定性，且難以實(shí)現(xiàn)放大器的增益的連續(xù)可調(diào)。2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽四、方案選擇與論證方案二方案二: 采用可控增

9、益運(yùn)放采用可控增益運(yùn)放AD603 實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。 AD603 內(nèi)部由R-2R 梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，加在其梯形網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號(hào)經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量由加在增益控制接口的參考電壓決定；而這個(gè)參考電壓可通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算并控制D/A芯片輸出控制電壓得來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)較精確的增益控制，或者使用外部滑動(dòng)變阻器產(chǎn)生的模擬電壓控制這個(gè)參考電壓以實(shí)現(xiàn)增益的手動(dòng)連續(xù)可調(diào)。此外AD603 能提供由直流到30MHz 以上的工作帶寬，實(shí)際工作時(shí)可提供20dB以上的增益，配合前、后級(jí)的放大器和電阻衰減網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)60dB 以上的增益調(diào)節(jié)。 這種方案的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了增益的連續(xù)可調(diào)，易于控制，因此選

10、用方案二。2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽四、方案選擇與論證2、功率放大器方案、功率放大器方案方案一：方案一：采用高頻三極管等分立器件實(shí)現(xiàn)。三極管的使用靈活，成本比集成運(yùn)放芯片低的多。但電路設(shè)計(jì)難度大，實(shí)際的調(diào)試過(guò)程也比較復(fù)雜，而且由于其分立元件的分布參數(shù)較大，增加了放大器的幅頻特性的調(diào)試難度。方案二：方案二：采用驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力較大的放大器實(shí)現(xiàn)，如TI公司的THS3091、THS3095等芯片。該方法電路簡(jiǎn)單，增益可調(diào)，且可以通過(guò)運(yùn)放并聯(lián)的方法增加其驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力。 方案二方案二比較常用，實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單，方便調(diào)試，因此選擇方案二。2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽四、方案選擇與論證3、放大器通頻帶內(nèi)增

11、益起伏控制、放大器通頻帶內(nèi)增益起伏控制 通頻帶內(nèi)起伏控制主要含兩個(gè)方面：放大器帶內(nèi)平坦度和濾波器幅頻特性。1)各級(jí)放大帶內(nèi)平坦度分析： 系統(tǒng)使用AD603 做可控增益放大，但只使用了其中控幅線性度較好的20dB，并配合繼電器切換其他幾路固定增益放大實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)?；?0M 信號(hào)的固定增益放大的幅頻特性良好，不會(huì)引入較大的起伏，實(shí)際測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)只有不大于0.3dB的起伏，所以為了達(dá)到題目要求，需重點(diǎn)做用來(lái)控制帶寬的濾波器。2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽四、方案選擇與論證2)濾波器的幅頻特性: 基于題目要求的頻率較高，對(duì)濾波器有三點(diǎn)要求：截止頻率較高，通帶內(nèi)較平坦，從1 dB到3 dB做到盡量陡

12、峭。 基于這些要求，系統(tǒng)選擇橢圓濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)不同帶寬的切換。橢圓濾波器在有限頻率上既有零點(diǎn)又有極點(diǎn)。極零點(diǎn)在通帶內(nèi)產(chǎn)生等波紋，這與切比雪夫類似。阻帶內(nèi)的有限傳輸零點(diǎn)減小了過(guò)渡區(qū)，從而獲得極為陡峭的衰減特性曲線。2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽五、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、 系統(tǒng)整體框圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體框圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體框圖設(shè)計(jì)2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽l為了提高系統(tǒng)直流穩(wěn)壓源的效率，系統(tǒng)選用多抽頭的環(huán)形變壓器，配合低壓差低靜態(tài)電流的穩(wěn)壓芯片來(lái)提高電源效率。l輸入信號(hào)先經(jīng)過(guò)阻抗匹配后直接進(jìn)入40倍固定增益放大器OPA847,通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)端對(duì)前級(jí)放大器引入的直流和直流零點(diǎn)漂移進(jìn)行補(bǔ)償，然后進(jìn)入可控增放大模塊。2

13、009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽l可控增放大模塊由AD603配合以幾個(gè)固定增益檔組成，實(shí)現(xiàn)了-14dB 86dB的手動(dòng)或程控增益可調(diào)。其中由MSP430F449 單片機(jī)來(lái)控制雙路數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5638實(shí)現(xiàn)了AD603的程控增益可調(diào)和整體后級(jí)放大模塊引入的直流的軟件補(bǔ)償。l之后信號(hào)進(jìn)入濾波器模塊和功率放大電路，由單片機(jī)控制濾波器帶寬限制模塊，此部分是通過(guò)切換繼電器實(shí)現(xiàn)的。最后一級(jí)功率放大器放大固定的增益14dB，最終實(shí)現(xiàn)了0dB100dB的增益調(diào)節(jié)范圍。2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽2、放大器級(jí)聯(lián)及各級(jí)增益設(shè)計(jì)放大器級(jí)聯(lián)及各級(jí)增益設(shè)計(jì) 放大器級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)總體分為以下三個(gè)部分，其中第一和第三部分均為

14、固定增益放大。1）前級(jí)放大電路設(shè)計(jì)）前級(jí)放大電路設(shè)計(jì)：采用TI 公司的低電壓噪聲芯片OPA847實(shí)現(xiàn)40倍的固定倍數(shù)放大。增益帶寬積高達(dá)3.9GHz，在大于1MHz 的模擬輸入電壓噪聲為0.85 nV并且有950V/s的擺率。在放大器的輸入端使用滑動(dòng)變阻器R6實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)失調(diào)電壓等的補(bǔ)償。2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽 2）可控增益放大電路：此部分共使用了三個(gè)繼電器和四片高性能運(yùn)放實(shí)現(xiàn)了100dB的增益調(diào)節(jié)范圍。號(hào)繼電器實(shí)現(xiàn)了0dB和-26dB的固定增益切換，號(hào)繼電器實(shí)現(xiàn)了0dB和-40dB 的固定增益切換，號(hào)繼電器實(shí)現(xiàn)了0dB和-20dB 的固定增益切換。AD603 實(shí)現(xiàn)了0dB20dB 的

15、增益調(diào)節(jié)，THS3001則實(shí)現(xiàn)了20dB的固定增益放大。2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽nAD603AD603n當(dāng)腳5和腳7短接時(shí)，AD603的增益為40Vg+10，這時(shí)的增益范圍在-1030dB。當(dāng)腳5和腳7斷開(kāi)時(shí)，其增益為40Vg+30，這時(shí)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。nAD603的增益控制接口的輸入阻抗很高，在多通道或級(jí)聯(lián)應(yīng)用中，一個(gè)控制電壓可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)運(yùn)放；同時(shí)，其增益控制接口還具有差分輸入能力，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)信號(hào)電平和極性選擇合適的控制方案。n參見(jiàn)AD603數(shù)據(jù)手冊(cè)2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽3

16、3）末級(jí)功率放大電路：）末級(jí)功率放大電路： 信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器以后進(jìn)入功率放大模塊。功率放大采用三級(jí)THS3091并聯(lián)的形式以增強(qiáng)運(yùn)放的驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力。三級(jí)運(yùn)放盡量做到對(duì)稱，輸出端都串聯(lián)2R的小電阻，起動(dòng)均衡運(yùn)放輸出電流的作用。2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽3、 直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓源設(shè)計(jì) 題目要求制作高效率的直流穩(wěn)壓電源，系統(tǒng)選用高效率的環(huán)形變壓器?；谙到y(tǒng)由18V，15V, 12V 和5V 供電，而每一路均要考慮到用低壓差的線性穩(wěn)壓芯片，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)了4 組繞阻，分別經(jīng)過(guò)整流橋產(chǎn)生21V，17.5V, 14.5V 和6.5V 直流電壓，再分別經(jīng)過(guò)8 片穩(wěn)壓芯片得到系統(tǒng)需要的穩(wěn)壓源。芯片選用線性公司的 LT1963、LT1175，都具有低壓差和低靜態(tài)工作電流的性能。2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽4、橢圓濾波器電路、橢圓濾波器電路2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽5、軟件程序設(shè)計(jì)、軟件程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的程序控制部分由單片機(jī)SP430F449完成，主要用來(lái)控制繼電器的切換實(shí)現(xiàn)不同增益檔的切換和濾波器的選擇，控制TLV5638的兩路模擬輸出電平，一路產(chǎn)生AD603的控制電壓一路對(duì)