通信工程專業(yè)和電子信息工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)——寬帶放大器.doc

引言 寬帶放大器是指工作頻率上限與下限之比大于2的放大電路，習(xí)慣上也常把相對(duì)頻帶寬度大于20%30%的放大器列入此類?？梢詺w入寬帶放大器的有：用于時(shí)分多路通信，示波器，數(shù)字電路的方面的基帶放大器或脈沖放大器；用于測(cè)量?jī)x器的直流放大器；用于音像設(shè)備的高保真度音頻放大器等；用于射頻信號(hào)放大的寬帶放大器，如雷達(dá)或通信接收機(jī)中的中頻放大器，其中心頻率為幾十兆赫或幾百兆赫，通帶寬度可達(dá)中心頻率的百分之幾十。后者通常以電阻器為放大器的負(fù)載，以電容器作級(jí)間耦合。為了擴(kuò)展寬帶，除了使其增益較低之外，通常還需要采用高頻和低頻補(bǔ)償措施，以使放大器的增益頻率特性曲線的平坦部分向兩端延展。 1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 1.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)寬頻帶、高增益的放大器。1.2設(shè)計(jì)要求1.2.1基本要求（1）輸入阻抗=1千歐姆輸入，但端輸出；放大負(fù)載電阻600歐姆。（2）3db通頻帶10khz6mhz，在20khz5mhz頻帶內(nèi)增益起伏=40db，增益調(diào)節(jié)范圍1040db，需顯示預(yù)置增益值。（4）最大輸出電壓有效值=3v，數(shù)字顯示輸出正弦電壓有效值。（5）自制放大器所需的穩(wěn)壓電源。1.3主要功能和技術(shù)指標(biāo)分本課題的基本要求是設(shè)計(jì)一個(gè)寬頻帶、高增益的放大器，該放大器在寬帶范圍內(nèi)有較好的線性度和較大的輸出幅度，能夠自動(dòng)控制增益；另外，能夠步進(jìn)和預(yù)置增益值，并能夠數(shù)字顯示。（1）寬帶:基本寬帶10khz6mhz，并可以擴(kuò)展。（2）增益范圍:最小值為10db，基本要求最大增益大于40db。（3）步進(jìn)調(diào)節(jié)范圍：基本調(diào)節(jié)范圍為1040db,步進(jìn)間隔為6db,誤差小于2db。（4）帶內(nèi)增益平坦度：20khz5mhz,范圍內(nèi)增益起伏小于1db。（5）預(yù)置：在步進(jìn)范圍內(nèi)增加預(yù)置功能，預(yù)置誤差小于2db。（6）電壓幅值：最大輸出電壓有效值=3v。（7）輸入/輸出特性:單端輸入/單端輸出，輸入阻抗=1千歐姆，負(fù)載電阻600歐姆。（8）其他：電源和顯示。顯示部分可以顯示預(yù)置增益值和輸出電壓值。電壓幅值、輸入/輸出特性、電源、測(cè)量和顯示部分相對(duì)容易達(dá)到要求：在信號(hào)輸入級(jí)增加一級(jí)緩沖，可以增大放大器的輸入阻抗;在末級(jí)增加一級(jí)功率放大，可提高輸出電壓的幅值，增加帶負(fù)載能力；利用單片機(jī)、dac和adc可以方便的實(shí)現(xiàn)測(cè)量和顯示?；谏鲜龇治?，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了一個(gè)大致的了解，現(xiàn)歸納如下： （1）放大器部分應(yīng)盡量選用高速、寬帶、低噪、增益可控放大的元器件，應(yīng)避免選用噪聲過(guò)大的分立元器件；（2）系統(tǒng)可分為多級(jí)，每級(jí)的增益分配都不宜太大；（3）利用單片機(jī)控制增益和顯示。系統(tǒng)組成框圖如下所示顯示單片機(jī)電源寬帶功率放大多極程控放大輸入緩沖級(jí) 圖1.1 系統(tǒng)組成框圖 2設(shè)計(jì)方案2.1增益控制部分 如下圖所示，使用控制電壓和增益（db）呈線性關(guān)系的可變?cè)鲆娣糯笃鳎╬ga）來(lái)實(shí)現(xiàn)增益控制。輸入緩沖pgapadac測(cè)有效值單片機(jī)adc圖2.1 設(shè)計(jì)方案圖2.2功率輸出部分 根據(jù)課題要求，放大器通頻帶從10khz到6mhz，用音頻或射頻放大的方法來(lái)完成功率輸出，要達(dá)到6v有效值，輸出難度較大，用分立元件就具有明顯的優(yōu)勢(shì)。2.3測(cè)量有效值部分 采用集成真有效值變換芯片，直接輸出被測(cè)信號(hào)的真有效值。此方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人以波形的有效值測(cè)量。 綜上所述，選用ad637，作為真有效值變換芯片。該芯片可測(cè)量的信號(hào)有效值可高達(dá)7v，精度優(yōu)于0.5%，且外圍元件器少，拼帶寬，對(duì)于一個(gè)有效值為1v的信號(hào)，它的3db帶寬為8mhz，并且可以對(duì)輸入信號(hào)的電平以db形式指示，該方案硬件、軟件簡(jiǎn)單，精度也很高，但不是用于高于8mhz的信號(hào)。 此方案硬件易實(shí)現(xiàn)，并且在8mhz以下時(shí)測(cè)得的有效值的精度可以保證，在題目要求的通頻帶10khz6mhz內(nèi)精度較高。8mhz以上輸出信號(hào)可采用高頻峰值檢測(cè)的方法來(lái)測(cè)量。2.4系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：圖2.2系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖 3理論分析與參數(shù)計(jì)算 3.1電壓控制增益的原理ad的基本增益可用下式計(jì)算： agdb=(40db/v)agv+10db （3-1-1）式中，vg是差分輸入電壓，單位是v；ag時(shí)ad637的基本增益，單位是db。從此式可以看出，以db為單位的對(duì)數(shù)增益和電壓之間是線性關(guān)系。因此，單片機(jī)制要進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性計(jì)算就可以控制對(duì)數(shù)增益，增一步進(jìn)也可以很準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)。但若用放大倍數(shù)來(lái)表示增益，則須將放大倍數(shù)經(jīng)過(guò)復(fù)雜的運(yùn)算轉(zhuǎn)化為以db為單位的控制量去控制ad的增益，這必將引入運(yùn)算誤差。3.2正弦電壓有效值的計(jì)算ad637的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，根據(jù)ad637芯片手冊(cè)，計(jì)算真有效值： vrms=avg （vin*vin/vrms） (3-2-1)式中，為輸入電壓；為輸出電壓有效值。圖3.1 ad637內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖電路設(shè)計(jì) 4.1輸入緩沖和增益控制電路設(shè)計(jì)由于ad603的輸入電阻只有100歐姆，故要滿足輸入電阻大于千歐姆的要求，就必須加入輸入緩沖部分以提高輸入阻抗；另外前級(jí)電路對(duì)整個(gè)電路的噪聲影響非常大，故采用高速低噪聲電壓反饋型運(yùn)算放大芯片opa642作前級(jí)跟隨，同時(shí)在輸入端加上二極管進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。如圖所示，輸入部分先用電祖分壓衰減，再由低噪聲高速運(yùn)算放大芯片opa642放大，整體上還是一個(gè)跟隨器，二極管可以保證輸入到opa642的電壓峰峰之不超過(guò)其極限（2v）。其輸入阻抗大于千歐姆。的增益帶寬積為400mhz，這里放大3.4倍，100mhz以上的信號(hào)被衰減。輸入輸出端口p1、p2由同軸電纜連接，以防自激。級(jí)間耦合采用電解電容并聯(lián)高頻瓷片電容的方法，兼顧高頻和低頻信號(hào)。4.1 輸入緩沖和增益控制電路增益控制部分裝在屏蔽盒中，盒內(nèi)采用多點(diǎn)接地和就近接地的方法避免自激，部分電容、電阻采用貼片封裝，使得輸入級(jí)連線盡可能短。該部分采用典型接法中通頻帶最寬的一種，如圖所示，各列引腳含義如表所示。通頻帶為，增益為，輸入控制電壓的范圍為。 圖4.2 ad603接成90mhz寬帶的典型方法增益和控制電壓的關(guān)系為（）一級(jí)的控制范圍只有，若使用兩級(jí)串聯(lián)，則其增益為（）（）增益范圍是，滿足題目要求。由于兩級(jí)放大電路幅頻相應(yīng)曲線相同，所以當(dāng)兩級(jí)串聯(lián)后，帶寬會(huì)有所下降，串聯(lián)前各級(jí)帶寬為左右，兩級(jí)放大電路串聯(lián)后總的寬帶對(duì)應(yīng)著單級(jí)放大電路帶寬。根據(jù)幅頻響應(yīng)曲線可得出級(jí)聯(lián)后的總帶寬為。功率放大電路設(shè)計(jì)如圖所示，在參考音頻放大器中驅(qū)動(dòng)級(jí)電路設(shè)計(jì)中，考慮到負(fù)載電阻為歐姆，輸出有效值大于，而輸出最大有效值在左右，故選用兩級(jí)三極管進(jìn)行直流耦合和發(fā)射結(jié)直流負(fù)反饋來(lái)構(gòu)建末級(jí)功率放大器。第一級(jí)進(jìn)行電壓放大，整個(gè)功率放大電路的電壓增益在這一級(jí)完成，第二級(jí)進(jìn)行電壓合成和電流放大，將第一級(jí)輸出的雙端信號(hào)變成單端信號(hào)，同時(shí)提高帶負(fù)載能力，如果需要更大的驅(qū)動(dòng)能力，則需要在后級(jí)增加三極管跟隨器，實(shí)際上加上跟隨器后通頻帶急劇下降，原因是跟隨器的結(jié)電容被等效放大，當(dāng)輸入信號(hào)頻率很高時(shí)，輸出級(jí)直流電流很大而輸出信號(hào)很小。使用兩級(jí)放大已足以滿足題目要求。選用的和三極管理論上可達(dá)到的帶寬。整個(gè)電路沒(méi)有使用頻率補(bǔ)償，可對(duì)到的信號(hào)進(jìn)行線性放大，在以下增益非常平穩(wěn)，表現(xiàn)出穩(wěn)定的直流特性。將反饋回路用電容串聯(lián)接地，加大直流負(fù)反饋，會(huì)使低頻響應(yīng)變差，這樣做只是把通頻帶的低頻下限頻率從提高到十幾赫茲，但提高了電路的穩(wěn)定性。圖4.3功率放大電路本電路的放大倍數(shù)（）整個(gè)功率放大器電壓放大約倍。通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)增益，根據(jù)電源電壓調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)工作點(diǎn)?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)控制電路由系列單片機(jī)、和基準(zhǔn)源組成。使用位串行芯片和和位串行雙芯片。基準(zhǔn)源采用帶隙基準(zhǔn)電壓源。穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)電源部分輸出、電壓供給整個(gè)系統(tǒng)。數(shù)字部分和模擬部分通過(guò)電感隔離。電路原理如圖所示。圖4.4 電源電路 軟件設(shè)計(jì)取消agcagc電壓顯示增益顯示增益減小增益增加判斷鍵碼有鍵按下系統(tǒng)初始化本系統(tǒng)單片機(jī)控制部分采用反饋控制方式，通過(guò)輸出電壓采樣來(lái)控制電壓增益。由于的設(shè)計(jì)增益跟實(shí)際增益有誤差，故軟件上還進(jìn)行了校正，軟件流程如圖所示yn終端返回調(diào)整倍數(shù)放大是agc否采樣輸出端口10ms中斷圖5.1 軟件流程圖 主要技術(shù)指標(biāo)與分析指標(biāo)的測(cè)試輸入阻抗電路的設(shè)計(jì)保證輸入阻抗大于歐姆，滿足題目要求。輸入電壓有效測(cè)量在輸入端加正弦波，調(diào)節(jié)電壓和增益，測(cè)得不失真最大輸出電壓有效值為，達(dá)到大于的要求。頻率特性測(cè)量增益設(shè)為檔，輸入端加正弦波，由于信號(hào)源不能保證不同頻段的的正弦波幅度穩(wěn)定，因此，每次測(cè)量前先調(diào)節(jié)信號(hào)源使得輸入信號(hào)保持在左右，再測(cè)量輸出信號(hào)。測(cè)量數(shù)據(jù)如下表所示。表6.1 頻率特性測(cè)試數(shù)據(jù)f/hz 1 2 6 10 20 40 50 60 0.710 0.821 0.976 1.000 1.010 1.020 0.999 1.020增益/db 37.0 38.3 39.8 40.0 40.0 40.1 39.9 40.1頻率/khz 90 100 200 300 400 500 600 800 0.999 0.998 0.997 0.996 0.997 1.000 1.010 1.020增益/mhz 39.9 39.9 39.9 39.9 39.9 40.0 40.0 40.1頻率/mhz 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 10.00 20.00vo/v 1.020 0.997 0.978 0.975 0.986 0.984 0.901 0.802增益/db 40.1 39.9 39.8 39.8 39.8 39.9 39.9 38.14增益誤差測(cè)量輸入端有效值為，頻率為的正弦信號(hào)，保持幅度穩(wěn)定，測(cè)量輸出信號(hào)以計(jì)算增益誤差。測(cè)量數(shù)據(jù)如下表所示。5輸出電壓測(cè)量通過(guò)數(shù)碼管顯示輸出電壓有效值，與實(shí)際測(cè)量值比較，誤差。表6.2 增益誤差測(cè)試數(shù)據(jù)預(yù)置增益/db 10 16 22 28 34 40 46 52vo/v 0.0323 0.06380.1270.2540.5051.0101.9803.950實(shí)際增益/db 10.2 16.1 22.1 28.1 34.0 40.0 46.0 51.9增益誤差/db +0.2 +0.1 +0.1 +0.1 0.0 0.0 0.0 -0.1誤差分析測(cè)量誤差的主要來(lái)源是電磁干擾，由于試驗(yàn)場(chǎng)地電磁環(huán)境惡劣，故測(cè)量時(shí)噪聲電壓比較大。7 總結(jié)本設(shè)計(jì)利用可變?cè)鲆鎸拵Х糯笃鱽?lái)提高增益和擴(kuò)大控制范圍，通過(guò)軟件補(bǔ)償減小增益調(diào)節(jié)的步進(jìn)間隔和提高準(zhǔn)確度。輸入部分采用高速電壓反饋型運(yùn)算放大