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文檔簡介
1、2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)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(jì)大賽(C題)2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn))。(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(jì)大賽二、評分標(biāo)準(zhǔn)2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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(jì)大賽三、試題分析及準(zhǔn)備知識4、零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂
5、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,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(diǎn)漂移。直流放大器中,前級的零點(diǎn)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(diǎn)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??梢钥闯?,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(shí)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(jì)大賽四、設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(jì)大賽2、硬件電路設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)(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(shí)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(shí)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(yùn)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(jì)大賽補(bǔ)充:電壓跟隨器補(bǔ)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(diǎn)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,通常可以到幾歐姆,甚至更低。 在電路中,電壓跟隨器一般做緩沖級及隔離級。因?yàn)?,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(jì)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(shí)現(xiàn)增益從22dB到42dB可控,并能實(shí)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(jì)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(jì)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(yùn)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(jì)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(shí)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(jì)時Ug取值范圍為-0.50,從而實(shí)現(xiàn)增益從22dB到42dB可控,并能實(shí)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(jì)大賽補(bǔ)充:補(bǔ)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(yùn)放;同時
13、,其增益控制接口還具有差分輸入能力,設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)有頻率補(bǔ)償,可對0到10MHz的信號進(jìn)行線性放大,放大倍數(shù) 在實(shí)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(jì)大賽圖6 末級放大原理圖 2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(bǔ)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(jì)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(diǎn)的控制實(shí)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(diǎn)動作,使輸入信號V2經(jīng)5MHz的低通濾波器輸出,即實(shí)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(jì)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(jì)大賽n(1)抑制直流零點(diǎn)漂移)抑制直流零點(diǎn)漂移n實(shí)際設(shè)計(jì)電路時,輸出漂移較為明顯,由實(shí)驗(yàn)測得,單級OPA620產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移是負(fù)漂移。中放設(shè)計(jì)中我們抑制漂移的方法是,輸入信號從第一級運(yùn)放的正向端輸入,輸出至第二級運(yùn)放的反向輸入
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