程控寬帶直流放大器的設(shè)計(jì)

1、china_ 第3章 程控寬帶直流放大器的設(shè)計(jì) china_本章導(dǎo)讀本章導(dǎo)讀 本章將介紹一種增益可調(diào)、通頻帶可預(yù)置的程控寬帶直流放大器，其中包括了寬帶直流放大器的原理、硬件的制作、軟件程序的編寫及系統(tǒng)的調(diào)試等。 china_3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)任務(wù)書的作用是讓設(shè)計(jì)者了解本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的、意義，有關(guān)的要求以及整個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)間安排，只有這樣才能高質(zhì)量地完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 v3.1.1 寬帶直流放大器概述 放大器是能把輸入信號(hào)的電壓或功率放大的裝置，由電子管或晶體管、電源變壓器和其他電器元件組成。放大器作用是將高頻已調(diào)波信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域

2、內(nèi)的接收機(jī)可以接收到滿意的信號(hào)電平，并且不干擾相鄰信道的通信。高頻功率放大器按其工作頻帶的寬窄劃分為：窄帶高頻功率放大器、寬帶高頻功率放大器。 窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器。 寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出。 china_3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)書 放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，將其分為甲、乙、丙三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的流通角為360，適用于小信號(hào)低功率放大。乙類放大器電流的流通角約等

3、于180；丙類放大器電流的流通角則小于180。乙類和丙類都適用于大功率工作丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高者。高頻功率放大器大多工作于丙類，但丙類放大器的電流波形失真太大，因而不能用于低頻功率放大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載的諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然極近于正弦波形，失真很小。 聲音信號(hào)、自然界信號(hào)往往是從直流成分到幾十赫茲帶寬內(nèi)、高內(nèi)阻、弱信號(hào)，需要對(duì)這些低頻弱信號(hào)進(jìn)行放大后再進(jìn)行采集，這就需要放大器具有很好的直流特性。寬帶直流放大器與其他放大器的最大區(qū)別就在于它的直流、低頻信號(hào)處理能力。 china_3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)書v3.1.2 設(shè)計(jì)的目

4、的與意義 設(shè)計(jì)的目的：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種增益可調(diào)、通頻帶可預(yù)置的程控寬帶直流放大器。以增進(jìn)實(shí)驗(yàn)者對(duì)于放大器各個(gè)性能指標(biāo)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)其對(duì)于人機(jī)界面設(shè)計(jì)的能力。 設(shè)計(jì)的意義：隨著通信技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，寬帶放大器在科研中具有重要作用。其廣泛應(yīng)用于A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、波形發(fā)生器、視頻放大器等電路。這些電路要求運(yùn)算放大器具有較高的電壓增值，較寬的頻帶寬度，較平穩(wěn)的幅頻特性曲線。然而大部分寬帶放大器不具備很好的低頻特性。在自動(dòng)控制及自動(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)通過傳感器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，這些微弱的電信號(hào)經(jīng)過放大之后就可以使數(shù)據(jù)的記錄更加精確。這些電信號(hào)

5、大多是變化極其緩慢且極性是固定不變的非周期型號(hào)（直流信號(hào)），它需要直流放大器放大。 china_3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)書v3.1.3 設(shè)計(jì)的要求 1. 最大電壓增益AV60dB，輸入電壓有效值Vi10 mV。 2. 在AV60dB時(shí)，輸出端噪聲電壓的峰峰值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(hào)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)）。 7. 了解相關(guān)理論，對(duì)各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比，找出最合理

6、的方案。 8. 完成硬件設(shè)計(jì)及制作并編寫相關(guān)的軟件程序。 9. 完成系統(tǒng)調(diào)試，使系統(tǒng)能正常工作。china_3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)書v3.1.4 設(shè)計(jì)及論文的時(shí)間安排 第一部分 閱讀相關(guān)資料，學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)（3周）。 第二部分 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案（3周）。 第三部分 繪制PCB版圖并完成硬件系統(tǒng)（3周）。 第四部分 編制相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)（2周）。 第五部分 系統(tǒng)各模塊調(diào)試以及系統(tǒng)總體聯(lián)調(diào)（2周）。 第六部分 完成論文寫作（3周）。 第七部分 評(píng)閱及答辯。china_3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)書v 3.1.5 摘要 隨著通信技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，寬帶放大器在科研中具有重要作用。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種增益可

7、調(diào)、通頻帶可預(yù)置的寬帶直流放大器。它由四個(gè)模塊構(gòu)成：前級(jí)放大電路（帶AGC部分）、后級(jí)放大電路、補(bǔ)償濾波器和單片機(jī)顯示與控制模塊。在前級(jí)放大電路中，用LMH6505兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大輸入信號(hào)，輸出放大一定倍數(shù)的電壓，經(jīng)過由AD811構(gòu)成的后級(jí)放大電路達(dá)到大于10V的有效值輸出。C8051F20單片機(jī)通過D/A轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)AGC、電壓增益預(yù)置及通頻帶預(yù)置。電壓增益與帶寬測(cè)試表明：隨著頻率增大，輸出幅值有所衰減，但010MHz內(nèi)幅頻特性曲線在3dB通頻帶范圍內(nèi)；系統(tǒng)引入的噪聲電壓峰峰值為0.26V0.3V。該放大器功耗低、性價(jià)比高，并且性能非常穩(wěn)定。 關(guān)鍵詞：寬帶，直流，AGC，放大器 china_3.

8、2 引言 v3.2.1 研究背景 隨著電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，人們需要能夠遠(yuǎn)距離、隨時(shí)隨地地傳送信息。于是，各類通信技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，技術(shù)也越來越成熟。寬帶放大器在通信系統(tǒng)和電子系統(tǒng)中占據(jù)極其重要的位置，實(shí)際運(yùn)用對(duì)它的要求也越來越高。寬帶直流放大器在科研中也具有重要作用，它廣泛應(yīng)用于A/D轉(zhuǎn)換器、D/A 轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、波形發(fā)生器、視頻放大器等電路，以及通訊、廣播、雷達(dá)、電視、自動(dòng)控制等各種裝置，因此對(duì)直流寬帶放大器研究具有十分重要的意義。 通過傳感器獲得的自然界電信號(hào)往往是從直流成分到幾十Hz帶寬內(nèi)、高內(nèi)阻、弱信號(hào)，需要對(duì)這些低頻弱信號(hào)進(jìn)行放大后再進(jìn)行采集，而通信發(fā)射機(jī)末端等裝置又

9、需要中高頻弱信號(hào)進(jìn)行功率放大，使其具有大的負(fù)載能力。因此設(shè)計(jì)出一種程控寬帶直流放大器這樣一種通頻帶從0Hz到數(shù)十兆Hz的通用放大器就具有很大的意義。 china_3.2 引言v3.2.2 本文研究的主要內(nèi)容 本課題介紹一種增益可調(diào)、通頻帶可預(yù)置的程控寬帶直流放大器，其中包括了寬帶直流放大器的原理、硬件的制作、軟件程序的編寫。l 介紹了本課題的設(shè)計(jì)背景、實(shí)用價(jià)值及設(shè)計(jì)安排。l 介紹了研究背景和設(shè)計(jì)內(nèi)容安排。l 討論并比較了各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方案，最后得出了總體設(shè)計(jì)方案，給出了整個(gè)系統(tǒng)的流程圖。論證本系統(tǒng)各個(gè)模塊方案的可行性并完成了每個(gè)模塊芯片的選型。l 介紹了硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這是本次設(shè)計(jì)的精華所在。

10、本章節(jié)給出了直流穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計(jì)，可控增益模塊設(shè)計(jì)，固定電壓放大模塊設(shè)計(jì)，補(bǔ)償濾波器模塊設(shè)計(jì)，自動(dòng)增益控制模塊設(shè)計(jì)的原理圖及芯片外圍電路設(shè)計(jì)。l 分析了系統(tǒng)的功耗及性價(jià)比。l 講述了本系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果以及筆者的測(cè)試結(jié)果。l 總結(jié)。china_3.3 系統(tǒng)方案論證與理論分析 模擬電子技術(shù)中許多器件的物理特性往往是電類學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)，想要成為一名優(yōu)秀的硬件工程師必須要對(duì)這些特性充分熟悉。在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)之前需要對(duì)這些知識(shí)有個(gè)大概了解。v3.3.1 寬帶直流放大器總體方案分析 與一般寬帶放大器相比，寬帶直流放大器要求具有良好的低頻放大特性，其幅頻特征示意圖如下圖所示。所以在芯片選型時(shí)，其作用頻率范圍要從0

11、Hz開始。 china_3.3 系統(tǒng)方案論證與理論分析 為了使系統(tǒng)達(dá)到增益倍數(shù)，往往需要多級(jí)放大電路級(jí)聯(lián)。本設(shè)計(jì)中共有三級(jí)放大，三級(jí)放大均需要有良好的低頻特性。前級(jí)放大電路需要選取增益可變的放大器，以使整個(gè)寬帶直流放大器達(dá)到增益可變的要求。該級(jí)放大器要具有低噪聲寬帶高速的特性。經(jīng)過前級(jí)放大的信號(hào)，需要通過一個(gè)電壓放大器，以使輸出電壓在50歐姆負(fù)載下有效值大于10V。末級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)前兩級(jí)放大的通頻帶調(diào)整。來彌補(bǔ)前兩級(jí)放大電路帶寬隨增益增加而急劇降低的問題。通過單片機(jī)控制DA、液晶就可以實(shí)現(xiàn)電壓增益可預(yù)置并顯示的功能。系統(tǒng)總體框圖如下圖所示。 china_3.3 系統(tǒng)方案論證與理論分析

12、v3.3.2 理論分析 與數(shù)字電路設(shè)計(jì)采用一款固定的FPGA/CPLD、MCU不同的是模擬電路的設(shè)計(jì)平臺(tái)往往不確定，即需要對(duì)芯片選型進(jìn)行深入研究。 3.3.3 芯片選型 1. 可控增益放大器部分 方案一：用AD603進(jìn)行兩級(jí)放大。 方案二：用AD811和可控電阻權(quán)網(wǎng)絡(luò)AD7520。 方案三：用增益可控直流放大器LMH6505。 綜合上述方案，這里選擇方案三。 2. 后級(jí)固定增益部分 方案一：使用分立元件自行搭建二級(jí)放大器。 方案二：使用集成電路芯片。 考慮到性能的穩(wěn)定性和時(shí)間緊迫等因素，這里選擇方案二。china_3.3 系統(tǒng)方案論證與理論分析 3. 放大器帶寬控制部分 方案一：后級(jí)使用低通濾

13、波器 方案二：改變電壓放大電路的增益 從實(shí)現(xiàn)容易程度和功耗方面考慮選擇方案二。 4. 幅頻曲線補(bǔ)償部分 方案一：采用測(cè)頻程控補(bǔ)償 方案二：采用OPA603構(gòu)成補(bǔ)償濾波器。 考慮到本題對(duì)放大器幅頻響應(yīng)要求較高，專用芯片的幅頻不易控制，所以選擇方案二。 5. 主控制芯片選擇 方案一：采用89S52單片機(jī) 方案二：采用C8051F020單片機(jī)china_3.4 電路設(shè)計(jì) 本節(jié)對(duì)各模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，包括直流穩(wěn)壓電源模塊的設(shè)計(jì)、可控增益模塊的設(shè)計(jì)、固定電壓放大模塊的設(shè)計(jì)、補(bǔ)償濾波器模塊的設(shè)計(jì)等。 v3.4.1 直流穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計(jì) 電子設(shè)備中需要直流電源，便攜式電子產(chǎn)品往往采用干電池、蓄電池等

14、供電。但這些電源成本高，容量有限。所以在有交流電源的地方，一般采用直流穩(wěn)壓電源將交流電變?yōu)橹绷麟姟Ｖ绷鞣€(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成，如下圖所示。china_3.4 電路設(shè)計(jì) 四個(gè)部分作用如下：l 電源變壓器：將電網(wǎng)供給的交流電變換成符合整流電路要求的交流電。l 整流電路：將變壓器二側(cè)的交流電壓變換為單向脈動(dòng)的直流電壓。l 濾波電路：將脈動(dòng)的直流電壓變換為平滑的直流電壓。l 穩(wěn)壓電路：將直流輸出電壓穩(wěn)定，減少電源電壓波動(dòng)和負(fù)載變化對(duì)輸出直流電壓的影響。 本設(shè)計(jì)中使用的運(yùn)放等器件需要的電源電壓有+5V、+9V、-9V、+12V、-12V，+18V、-18V。78

15、、79系列芯片是輸出電壓固定的三端集成穩(wěn)壓器（78系列正輸出和79系列負(fù)輸出）。根據(jù)輸出電流的不同，又可分為三種：LM78、LM79的最大輸出電流為1.5A；LM78M、LM79M的最大輸出電流為0.5A；LM78L、LM79L的最大輸出電流為0.1A。 china_3.4 電路設(shè)計(jì)v3.4.2 可控增益模塊設(shè)計(jì) LMH6505是一款寬頻帶直流耦合壓控增益運(yùn)算放大器，在0-10MHz范圍內(nèi)通過調(diào)節(jié)增益控制電壓可使其增益可調(diào)范圍為80dB，低增益時(shí)的-3dB帶寬為150MHz，壓擺率，輸入噪聲電壓為?？梢詽M足對(duì)小信號(hào)低噪聲放大，對(duì)大信號(hào)高倍衰減的要求。其管腳示意圖如下圖所示。 china_3.4

16、 電路設(shè)計(jì)3.4.3 固定電壓放大模塊設(shè)計(jì) 固定電壓放大模塊的設(shè)計(jì)運(yùn)用到了模擬電子中的同相比例放大器的知識(shí)。理論上的增益倍數(shù)推導(dǎo)完全一致。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中要注意以下兩個(gè)問題： 所用運(yùn)放在10MHz的-3dB通頻帶內(nèi)是否能夠達(dá)到所需增益，也就是考慮它的帶寬增益積是否滿足要求。 所用運(yùn)放的最大輸出電壓是否可以滿足放大器的電壓輸出要求。 3.4.4 補(bǔ)償濾波器模塊設(shè)計(jì) 采用高速電流反饋運(yùn)算放大器OPA603搭建有源低通濾波器，該濾波器的截止頻率大于10MHz，要求其在09MHz的范圍內(nèi)幅頻曲線與放大器輸出幅頻曲線互補(bǔ)。使放大器在09MHz通頻帶內(nèi)增益起伏1dB。china_3.4 電路設(shè)計(jì)v3.4.5

17、 自動(dòng)增益控制模塊設(shè)計(jì) 由C8051F020內(nèi)部12位DAC將檢測(cè)有效值得到的直流電平轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入MCU，然后通過12位ADC將輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電平控制LMH6505的增益。由于本片單片機(jī)內(nèi)部集成了ADC和DAC，所以不需要搭建外設(shè)電路。為提高有效值檢測(cè)精度，選擇AD637作為有效值檢測(cè)電路。v3.4.6 單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn) 系統(tǒng)主控制芯片為C8051F020，開發(fā)環(huán)境為keilC51。通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)增益預(yù)置、帶寬調(diào)節(jié)、自動(dòng)增益等功能。人機(jī)交互界面的實(shí)現(xiàn)是通過MCU對(duì)紅外遙控、12864液晶屏的控制。C8051F020豐富的中斷和可編程I/O口為設(shè)計(jì)提供了方便；內(nèi)部集成的ADC和D

18、AC使系統(tǒng)電路更加簡(jiǎn)單、總體成本相對(duì)更低。軟件框圖如下圖所示。 china_3.4 電路設(shè)計(jì)china_3.5 系統(tǒng)功耗及性價(jià)比分析 系統(tǒng)的功耗是電子系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)，本節(jié)對(duì)系統(tǒng)的功耗進(jìn)行了詳細(xì)的分析。3.5.1 系統(tǒng)功耗分析 低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則可以概括為：對(duì)電源電壓、時(shí)鐘頻率以及靜態(tài)功耗進(jìn)行有效控制，即電源宜低不宜高、時(shí)鐘宜慢不宜快、系統(tǒng)（器件）宜靜不宜動(dòng)的“三相宜”原則。結(jié)合“三相宜”原則，在對(duì)硬件及軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要做如下工作： 對(duì)放大器芯片、MCU的選擇，在同等條件下采用了更低功耗器件。對(duì)外圍器件的選擇，采用了貼片器件替代直插器件。對(duì)系統(tǒng)低功耗的運(yùn)行管理，不用的I/O口和器件設(shè)置為禁止或睡眠模式。3.5.2 系統(tǒng)性價(jià)比分析 系統(tǒng)性能穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)之初的要求。設(shè)計(jì)中還考慮了系統(tǒng)成本，如在直流放大器芯片的選擇上，AD8336和LMH6505都能滿足題目指標(biāo)要求，但AD8336較LMH6505昂貴，這里選擇了LMH6505；對(duì)于MCU的選擇，這里選用C8051F020，因其內(nèi)部集成ADC和DAC，從而不僅使系統(tǒng)電路更簡(jiǎn)單，也使整個(gè)系統(tǒng)成本下降。china_3.5 系統(tǒng)功耗及性價(jià)比分析v3.5.3 小結(jié) 在模擬電路設(shè)計(jì)中，沒有