電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽報(bào)告

1、寬帶直流放大器（C題）【本科組】摘要本設(shè)計(jì)利用可變?cè)鲆鎸拵Х糯笃鰽D603來提高增益和擴(kuò)大AGC控制范圍， 通過軟件補(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)放OPA642跟隨器提高輸入阻抗，并且在不影響性能的條件下給輸入部分 加了保護(hù)電路。使用了多種抗干擾措施以減少噪聲并抑制高頻自激。功率輸出部 分采用分立元件搭建的甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路。整個(gè)系統(tǒng)通頻帶可達(dá)20MHz，最小 增益0dB，最大增益70dB。增益步進(jìn)ldB，60dB以下預(yù)置增益與實(shí)際增益誤差小 于 0.2dB。關(guān)鍵詞AGC； AD603； OPA642；功率放大；穩(wěn)壓電源一、方案論證與比較增益控制部分方案

2、一原理框圖如圖1所示，場(chǎng)效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，輸出信號(hào)取自電阻與場(chǎng) 效應(yīng)管與對(duì)V的分壓。采用場(chǎng)效應(yīng)管作AGC控制可以達(dá)到很高的頻率和很低的 噪聲，但溫度、電源等的漂移將會(huì)引起分壓比的變化，用這種方案很難實(shí)現(xiàn)增益 的精確控制和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定。Bi方案一采用可編程放大器的思想，將輸入的交流信號(hào)作為高速D/A的基準(zhǔn)電壓，這 時(shí)的D/A作為一個(gè)程控衰減器。理論上講，只要D/A的速度夠快、精度夠高就可 以實(shí)現(xiàn)很寬范圍的精密增益調(diào)節(jié)。但是控制的數(shù)字量和最后的增益（dB）不成線性 關(guān)系而是成指數(shù)關(guān)系，造成增益調(diào)節(jié)不均勻，精度下降。方案三使用控制電壓與增益成線性關(guān)系的可編程增益放大器PGA，用控制電壓和增 益（

3、dB）成線性關(guān)系的可變?cè)鲆娣糯笃鱽韺?shí)現(xiàn)增益控制（如圖2）。用電壓控制 增益，便于單片機(jī)控制，同時(shí)可以減少噪聲和干擾。綜上所述，選用方案三，采用集成可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603作增益控制。AD603 是一款低噪聲、精密控制的可變?cè)鲆娣糯笃?，溫度穩(wěn)定性高，最大增益誤差為 0.5dB，滿足題目要求的精度，其增益（dB）與控制電壓（V）成線性關(guān)系，因此 可以很方便地使用D/A輸出電壓控制放大器的增益。功率輸出部分此部分采用分立元件對(duì)管TIP41與TIP42搭建的甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路。自動(dòng)增益控制（AGC）利用單片機(jī)根據(jù)輸出信號(hào)幅度調(diào)節(jié)增益。輸出信號(hào)檢波后經(jīng)過簡(jiǎn)單2級(jí)RC 濾波后由單片機(jī)采樣，截止頻率為100

4、Hz。由于放大器通頻帶低端在1kHz，當(dāng)工作頻率為1kHz時(shí)，為保證在 增益變化時(shí)輸出波形失真較 小，將AGC響應(yīng)時(shí)間設(shè)定為 10ms，用單片機(jī)定時(shí)器0來 產(chǎn)生10ms中斷進(jìn)行輸出有 效值采樣，增益控制電壓也 經(jīng)過濾波后加在可變?cè)鲆娣?大器上。AGC控制范圍理論上可達(dá)080dB，實(shí)際上由于輸入端加了保護(hù)電路， 在不同輸出電壓時(shí)AGC范圍不一樣，輸出在4.55.5V時(shí)AGC范圍約為70dB， 而當(dāng)輸出為22.5V時(shí)AGC范圍可達(dá)80dB。二、理論分析與參數(shù)計(jì)算電壓控制增益的原理AD603的基本增益為：Gain (dB) = 40VG + 10其中，VG是差分輸入電壓, 單位是V，Gain是AD6

5、03的基本增益,單位是dB。從此式可以看出，以dB作單位的對(duì)數(shù)增益和電壓之間是線性的關(guān)系。由此 可以得出，只要單片機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性計(jì)算就可以控制對(duì)數(shù)增益，增益步進(jìn)可以 很準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)。但若要用放大倍數(shù)來表示增益的話，則需將放大倍數(shù)經(jīng)過復(fù)雜的 對(duì)數(shù)運(yùn)算轉(zhuǎn)化為以dB為單位后再去控制AD603的增益，這樣在計(jì)算過程中就引 入了較大的運(yùn)算誤差。AGC介紹AGC是自動(dòng)增益控制電路的簡(jiǎn)稱，常用在收音機(jī)、電視機(jī)、錄像機(jī)的信號(hào)接 收和電平處理電路中。它的作用是當(dāng)信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，使其增益自動(dòng)降低；當(dāng)信號(hào)較 弱時(shí)，又使其增益自動(dòng)增高，從而保證輸出信號(hào)基本穩(wěn)定。三、系統(tǒng)各模塊電路的設(shè)計(jì)輸入緩沖和增益控制部分輸入緩沖和增益

6、控制部分為輸入緩沖和增益控制電路，由于AD603的輸入電 阻只有100Q，要滿足輸入電阻大于2. 4kQ的要求，必須加入輸入緩沖部分用 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，必須盡量減少噪 聲。故采用高速低噪聲電壓反饋型運(yùn)放OPA642作前級(jí)跟隨，同時(shí)在輸入端加上 二極管過壓保護(hù)。輸入部分先用電阻分壓衰減，再由低噪聲高速運(yùn)放OPA642放 大，整體上還是一個(gè)跟隨器，二極管可以保護(hù)輸入到OPA642的電壓峰峰值不超 過其極限(2V)。其輸入阻抗大于2. 4kQ。OPA642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

7、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)。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 AD603典型接法中通頻帶最寬的一種，通頻帶為90MHz，增益為-10+30dB,輸 入控制電壓U的范圍為-0. 5+0. 5V。圖6為AD603接成90MHz帶寬的典型方 法。增益和控制電壓的關(guān)系為：AG(dB)=40XU+10，一級(jí)的控制范圍只有40dB， 使用兩級(jí)串聯(lián)，增益為AG(dB)=40 XU1+40XU2+20，增益范圍是-20+60dB， 滿足題目要求。由于兩

8、級(jí)放大電路幅頻響應(yīng)曲線相同，所以當(dāng)兩級(jí)AD603串聯(lián)后，帶寬會(huì) 有所下降，串聯(lián)前各級(jí)帶寬為90MHz左右，兩級(jí)放大電路串聯(lián)后總的3dB帶寬對(duì) 應(yīng)著單級(jí)放大電路1.5dB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60M。Ve-&-15V1N414SV J JD11N414St7GNDR4 W-r?GNDAW2.4k|.GMDWgnih 100nFWe0-15V ZSC1呻15V, VCC4 C131mFn+ C12 _55u11J-II-100nF士釧arC151QnFC3Tl-Ve-&-15V1N414SV J JD11N414St7GNDR4 W-r?GNDAW2.4k|.GMDWgnih

9、 100nFWe0-15V ZSC1呻15V, VCC4 C131mFn+ C12 _55u11J-II-100nF士釧arC151QnFC3Tl-C42.2uFI ICDnF =U2二心XTO! 7 x CUTngi 1nF ADGQ3AR 0.2 VT ，HI1QQnFc JJGC180C14HF100nC17 HC1IO 1flnF =220nF2.2uFR5VKS； VTOT cm cat r ms .ui z zmcAD6Q3AC9107Rfl!10功率放大部分電路如圖4所示?？紤]到負(fù)載電阻為50Q，輸出有效值要大于2V，所以電 壓仍需放大，整個(gè)功放電路的電壓增益在這一級(jí)，第二級(jí)進(jìn)行

10、電壓合成和電流放大，選用音頻開關(guān)三極管TIP41和TIP42,他們的開關(guān)速率達(dá)到3MHz,最大電流 為6A，最大輸出功率可達(dá)65W，符合題目要求。圖4控制部分這一部分由51系列單片機(jī)、D/A和基準(zhǔn)源組成。使用8位串行D/A芯片 DA0832。穩(wěn)壓電源部分電源輸出土5V、18V電壓供給整個(gè)系統(tǒng)。電路圖部分如下所示。四、系統(tǒng)調(diào)試和測(cè)試結(jié)果1.測(cè)試方法將各部分電路連接起來，先調(diào)整0dB,使輸出信號(hào)幅度和輸入信號(hào)幅度相等， 然后接上50Q的負(fù)載電阻進(jìn)行整機(jī)測(cè)試。1.測(cè)試結(jié)果電壓增益AV40dB，輸入電壓有效值ViM20mV。AV可在040dB范圍內(nèi)手 動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)。最大輸出電壓正弦波有效值Vo2V，輸出信號(hào)波形無明顯失真。3dB 通頻帶05MHz；在04MHz通頻帶內(nèi)增益起伏60dB， 輸入電壓有效值*10V，輸出信號(hào)波形 無明顯失真。參考文獻(xiàn)美塞爾吉?dú)W佛朗哥著，基于運(yùn)放放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)，第三版，西安 交通大學(xué)出版社，2009華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組編，康光華