寬帶直流放大器 c題 全國二等獎作品南京郵電大學

1、 2009年全國大學生電子設計競賽設 計 報 告參賽題目： 寬帶直流放大器 題目編號： C 參賽隊員： 許文燕 張舒 徐琴 參賽單位： 南京郵電大學 日 期： 二九 年 九 月 五 日 摘 要本設計使用兩片集成運放THS3001級聯(lián)組成前置放大電路，并由運算放大器加分立器件三極管構成復合放大器實現(xiàn)末級功率放大電路，通過增益控制電路實現(xiàn)065dB范圍內的增益可調，放大器帶寬可在10MHz或5MHz兩檔之間選擇。整個系統(tǒng)由單片機控制，通過鍵盤輸入實現(xiàn)輸出狀態(tài)控制、帶寬選擇以及增益步進控制，TFT液晶顯示器顯示所設置的狀態(tài)及參數(shù)。關鍵詞： 前置放大 功率放大 增益控制 低通濾波器設 計 報 告一、系

2、統(tǒng)方案論證與比較1、寬帶直流放大器設計方案方案一：采用集成運算放大器芯片級聯(lián)構成。集成運放芯片使用簡單，精度高，但是采用這種方案，放大器可實現(xiàn)的輸出功率不夠，無法滿足本課題指標（本課題要求最大輸出電壓正弦波有效值Vo10V），通常此類集成電路都難以直接驅動50的負載。方案二：采用分立元件，利用高頻三極管或場效應管差分對構成多級放大電路，末級采用大功率器件來保證輸出功率，通過負反饋電路來確定增益。該方案可實現(xiàn)的放大器工作頻率高、功率大，但其電路比較復雜，且零點漂移嚴重，難以實現(xiàn)直流信號的放大。此外，由于電路采用了多級放大，其穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象。方案三：集成運放和分立元件相結合。寬帶集成運

3、放級聯(lián)構成前置放大電路，實現(xiàn)小信號的前置放大及增益要求；運算放大器加分立器件三極管構成功率擴展型電路實現(xiàn)末級功率放大。方案選定：經(jīng)三種方案比較，決定采用方案三，該方案可以將集成運算放大器高增益、低直流漂移的優(yōu)點與分立元件功放輸出功率大的優(yōu)點相結合，達到本課題的設計要求。2、電壓增益控制設計方案方案一：通過反饋網(wǎng)絡控制放大器的電壓增益。這種方案電路簡單，但是干擾信號會伴隨輸入的小信號經(jīng)過前級和后級放大器放大，使輸出信號的信噪比無法滿足題目指標。方案二：在末級放大電路后加精心設計的衰減網(wǎng)絡，對輸出電壓進行增益控制。只要信號和干擾比在設定的范圍內，則可以實現(xiàn)在電壓增益控制的同時保證輸出信號的信噪比滿

4、足題目指標。 方案選定：本設計增益控制采用方案二。3、系統(tǒng)方案本設計方案的整體框圖如圖1-1所示。采用兩片THS3001（高速集成運放）級聯(lián)組成前置放大電路，電壓增益達到168倍；分立元件與普通集成運放構成末級功率放大電路，其電壓增益為10倍（可微調）。功放輸出端級聯(lián)精心設計的衰減網(wǎng)絡以實現(xiàn)增益步進可調，同時為了實現(xiàn)題目擴展指標要求，還設計了兩套低通濾波器組成的濾波網(wǎng)絡，可以作為負載接入放大器用于控制系統(tǒng)的帶寬。主控模塊采用C8051單片機，通過鍵盤輸入實現(xiàn)輸出狀態(tài)控制、帶寬選擇以及增益步進控制，晶顯示器顯示所設置的狀態(tài)及參數(shù)。增益微調工作狀態(tài)控制輸出輸入增益控制鍵盤控制液晶顯示C8051單片

5、機末級功放大電路衰減網(wǎng)絡兩組濾波器電位器前置放大電路圖1-1 系統(tǒng)方案框圖二、理論分析與計算1、 帶寬增益積分析與計算（1）前置放大器由手冊可查得THS3001的單位增益帶寬為420MHz,若考慮到放大器輸出平坦度的要求（其0.1dB平坦度帶寬為115MHz），本設計的前置放大電路的帶寬增益積應當在150MHz左右，根據(jù)公式，其增益分配如下：第一級THS3001電壓增益為14倍，第二級THS3001電壓增益為12倍，總共增益為168倍。（2） 功率放大器根據(jù)功率放大器采用器件的基本特性，其增益，則增益帶寬積約為450MHz，設計電壓增益為10倍，和前置放大器級聯(lián)即可將輸入信號放大1680倍，電

6、壓增益可達65dB。 2、 通頻帶內增益起伏控制與線性相位 前置放大器的通頻帶增益由器件本身的優(yōu)異特性決定，外部無需調整。功率放大器內部有調節(jié)頻率響應的微調電容，由于本課題頻率上限不是太高，一般也無需調整。另外由于本設計實現(xiàn)的寬帶放大器帶寬很寬，而且沒有時延器件，其群延時非常平坦，相位隨頻率的變化呈線性化。3、抑制直流零點漂移對于直流放大器而言，由于放大電路級間必須采用直接耦合方式，工作點的狀態(tài)將逐級傳遞和放大，最后導致輸出級產(chǎn)生了較大的直流電壓。另外由于溫度或電源電壓變化也會引起三極管的工作點變化加劇了直流零點漂移。直接耦合放大電路的級數(shù)越多，放大倍數(shù)越大，則零漂現(xiàn)象越嚴重。本設計采用的均是

7、差動放大電路（無論是前置放大器還是末級功率放大器），而差動放大電路是抑制零點漂移的良好措施。對于分立元件組成的末級放大電路還采用了PNP和NPN三極管互補的方法來穩(wěn)定靜態(tài)工作點，并抑制零點漂移。4、 放大器穩(wěn)定性在放大器電路中為了提高運算精度，在電路中加了負反饋回路，而且負反饋越深，閉環(huán)特性越好。但是在級聯(lián)運放放大電路中，當工作頻率較高時，它所產(chǎn)生的附加相移可能會使負反饋回路的開環(huán)增益下降到1以前達到180°，使原來處于負反饋回路的放大器轉變?yōu)椴豢煽氐恼答仩顟B(tài)，產(chǎn)生自激振蕩，破壞放大器的正常工作。放大器不自激，即放大器穩(wěn)定的條件是：當時或時本設計的前置放大電路采取單級運放負反饋，保

8、證了放大器在反饋條件下穩(wěn)定運行。末級功率放大器運用相位補償技術，在放大電路適當位置接入0.5P的補償電容，調整末級主放大器的開環(huán)特性，對應時，小于0dB，有-10dB的“幅度裕度”，破壞負反饋電路的自激條件。三、電路與程序設計1、前置放大電路設計（電路見附錄圖3-1）使用兩片集成運放THS3001級聯(lián)構成，第一級采用同相輸入，第二級采用反相輸入，阻抗均大于100。由于該集成運放為電流反饋型放大器，故反饋電阻取小一些。為防止運放自激，在運放電源端就近放置4.7uF鉭電解電容和0.1uF瓷介電容到地。2、末級功率放大電路設計（電路見附錄圖3-2）由高輸入阻抗運放LF356和分立元件構成反相輸入復合

9、功率放大器。分立元件構成的放大器主要考慮高頻特性，用運放LF356來改善直流特性，使兩者的特性并存，整個電路為一反相放大器。求和點的高頻交流信號經(jīng)過電容C4耦合至高頻放大器輸入端；直流及低頻信號由運放LF356反相放大，送入高頻放大器另一端；總的輸出信號是這兩類信號的合成信號。主放大器為全對稱差動電路。整個電路的放大倍數(shù)為，各級工作點的設置重點是保證帶寬，采用加大集電極電流來提高轉換速度。為了使整個放大器的直流輸出電壓為零，還設置了5K的調零電位器RP2。為了提高放大器的穩(wěn)定性，在特定位置加了補償電路。用C*（0.5P）來調整末級主放大器的開環(huán)特性。功放對功率三極管有明確要求，結合最高輸出頻率

10、和最大輸出功率的基本要求，本設計選用兩組NPN和PNP配對的晶體三極管。一組為2N5109和2N5583，用于主信號放大；另一組為2N2219和2N2905，用于輸出端電壓跟隨器。3、電壓增益控制（電路見附錄圖3-3）在末級功率放大電路后增加一衰減器，衰減器由電阻和繼電器構成，通過C8051單片機控制對信號幅度的衰減，從而實現(xiàn)電壓增益控制，通過鍵盤輸入，可調節(jié)電壓增益步進大小。衰減器采用標準型網(wǎng)絡，在滿足所需要的電壓衰減量的前提下，保證放大器輸出阻抗為50。4、濾波器設計（電路見附錄圖3-4）根據(jù)課題擴展指標要求，需滿足3dB通頻帶為05MHz和010MHz兩種帶寬要求。由于本放大器帶寬較寬，

11、故設計了兩組低通濾波器來滿足課題要求。本設計采用兩組9階切比雪夫低通濾波器，3dB通頻帶為05MHz和010MHz，帶內波動小于0.1dB，可由單片機控制加以切換。若選擇旁路濾波器，則輸出信號帶寬大于20MHz。5、直流電源設計（電路見附錄圖3-5） 本設計采用線性直流穩(wěn)壓電源，輸入為交流220V，輸出直流電壓為+19.5V、+6.25V、+5V、-19.5V、-6.25V，其中+19.5V和-19.5V給末級功率放大器供電，電流約150mA，+6.25V和-6.25V給前置放大器和衰減網(wǎng)絡的繼電器供電，電流分別為100mA和50mA，+5V給單片機控制板和液晶顯示器供電，電流約300mA。6

12、、系統(tǒng)軟件設計軟件流程圖如圖2-1所示。鍵盤中斷流程圖顯示默認初始增益和工作狀態(tài)并初始化初始化屏幕增益控制工作狀態(tài)控制增益選擇按鍵按下是按鍵功能否主程序流程圖判斷鍵碼工作狀態(tài)選擇顯示增益和帶寬鍵盤中斷中斷返回開始圖3-6 軟件流程圖四、測試方法與測試結果1、測試條件 環(huán)境溫度25，電源電壓220V市電（加到自制線性穩(wěn)壓電源上）。2、測試儀器和附件儀器：函數(shù)信號發(fā)生器SMC4640A 數(shù)字示波器DS1052E 掃頻儀AT5011附件：同軸衰減器 標準50負載3、測試方法 采用信號發(fā)生器、示波器、交、直流電壓表、掃頻儀及必要的部件進行幅頻特性測量。先調整0dB，使輸出信號幅度和輸入信號幅度相等。4

13、、測試結果與分析（1）輸入阻抗測試 輸入電阻約為1.6KW（頻率小于100KHz）。（2）輸出阻抗測試斷開標準負載電阻，調整放大器的輸出為20Vpp，然后接上標準50負載電阻，在全頻段內輸出電壓為10Vpp，誤差小于1%，可換算出輸出阻抗為（50±0.5）W。（3）帶寬測試用掃頻儀測量放大器的3dB帶寬，分別加入5MHz低通濾波器和10MHz低通濾波器，測試結果見圖4-1和圖4-2，圖4-1中橫坐標每格為1MHz，圖4-2橫坐標為每格2MHz。圖 4-1 3dB通頻帶05MHz幅頻特性 圖 4-2 3dB通頻帶010MHz幅頻特性輸入電壓為峰峰值16mv，在60dB測得的通帶頻率特性

14、 表4-3 5MHz通頻帶頻率測試頻率(Hz)101001KHz10KHz50KHz100KHz300KHz600KHz1M輸出電壓峰峰（V）4.94.94.94.94.94.94.94.884.84頻率(Hz)22.533.544.555.56輸出電壓峰峰（V）4.64.324.043.763.653.43.12.11表4-4 10MHz通頻帶頻率測試頻率(KHz)10Hz1101005001M2M5M6M輸出電壓峰峰（V）55555554.54.4頻率(Hz)7899.51010.51111.512輸出電壓峰峰（V）4.34.13.853.83.53.32.92.31.6數(shù)據(jù)分析：從圖上可

15、以看出，3dB通頻帶在低頻端達到了0，高頻端在20MHz以上，3dB通頻帶為011MHz，在09MHz頻帶內增益起伏1dB，正弦信號輸出有效值為11V，從5MHz以上增益的趨勢來看最終通頻帶高頻端應大于20MHz，比較符合后級功率放大器的理論高頻截止頻率25MHz。（4） 增益及最大輸出電壓測試輸入信號幅度16mV（峰峰值），負載電阻50W，將增益設置為0dB，使輸出信號幅度和輸入信號幅度相等，再選擇增益步進方式，5dB步進直到65dB。表4-4 65dB以內增益誤差測試數(shù)據(jù)預置增益(dB)051015202530輸出電壓峰峰（mV）8.10.5285081142250實際增益（dB）05.2

16、10.1215.1420.1 25.0930.03增益誤差（dB）00.20.120.140.10.090.03預置增益(dB)35404550556065輸出電壓峰峰（V）0.440.81.42.54.5814.2實際增益（dB）35.140.144.9749.8754.8859.864.8增益誤差（dB）0.10.1-0.03-0.13-0.12-0.2-0.2數(shù)據(jù)分析：由表中可以看出增益誤差在0.2dB之內，頻率較高時，隨著輸出電壓的增大，增益有下降的趨勢，這是因為后級功放管工作狀態(tài)即將接近飽和，通過提高后級電源電壓可以使增益更加穩(wěn)定。擴展功能中的增益步進5dB也達到了，且增益是從065dB可調。根據(jù)課題指標要求輸入電壓有效值Vi10 mV，本設計的放大器采用6mV的輸入電壓有效值，高于指標要求，且增益可達65dB，高于指標要求60dB，實現(xiàn)了進一步降低輸入電壓提高放大器