寬帶直流放大器設(shè)計(jì)

寬帶直流放大器〔C題〕摘要本系統(tǒng)以兩級(jí)直接耦合的可控增益放大器AD603為核心，外加跟隨器OPA642和電壓放大器AD811配合，實(shí)現(xiàn)了增益可調(diào)的寬帶直流放大器。系統(tǒng)主要由四個(gè)模塊構(gòu)成：前置放大電路、可控增益放大電路、后級(jí)功率放大電路、單片機(jī)顯示控制模塊。可控增益放大電路由兩級(jí)直接耦合的可控增益放大器AD603構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)-20dB到40dB的增益調(diào)節(jié)范圍，配合AD811的固定增益實(shí)現(xiàn)0dB到60dB的增益調(diào)節(jié)范圍；后級(jí)功率放大電路由高速緩沖器BUF634擴(kuò)大輸出電流，提升放大器的帶負(fù)載能力。第二級(jí)AD603與固定增益模塊間參加直流偏移調(diào)零模塊，最大限度地減小了整個(gè)放大器的直流偏移。為解決寬帶放大器自激問題及減小輸出噪聲，本系統(tǒng)采用多種形式的抗干擾措施，抑制噪聲，改善放大器的定性。關(guān)鍵詞：寬帶放大器，可控增益，調(diào)零電路，固定增益，功率放大一、系統(tǒng)方案1.方案比擬與選擇〔1〕可控增益放大方案一：采用可編程放大器的思想，將輸入交流信號(hào)作為高速DAC的基準(zhǔn)電壓，用DAC的電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成運(yùn)放反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的一局部，通過改變DAC數(shù)字控制量實(shí)現(xiàn)增益控制。理論上講，只要DAC的速度足夠快、精度足夠高就可以實(shí)現(xiàn)很寬范圍的精密增益控制，但是控制的數(shù)字量和最后的20dB不成線性關(guān)系而成指數(shù)關(guān)系，造成增益調(diào)節(jié)不均勻，精度下降，因此不選用此方案。方案二：選用兩級(jí)集成可控增益放大器直接耦合作為增益控制，集成可控增益放大器的增益與控制電壓成線性關(guān)系，控制電壓由單片機(jī)控制DAC產(chǎn)生。單級(jí)集成可控增益放大器AD603具有-10dB到+30dBdB的增益控制范圍，兩級(jí)級(jí)聯(lián)后理論上可到達(dá)-20dB到+60dB的增益控制范圍，精度到達(dá)0.5dB,帶寬90MHz，可以滿足題目指標(biāo)要求。采用集成可控增益放大器AD603實(shí)現(xiàn)增益控制，外圍電路簡單，便于調(diào)試，而且具有較高的增益調(diào)節(jié)范圍和精度，故采用此方案?！?〕功率放大電路方案一：采用分立元件實(shí)現(xiàn)寬帶功率放大器，可以實(shí)現(xiàn)較大輸出電壓，但需采用多級(jí)高頻放大電路，受電路分布參數(shù)影響，調(diào)試難度大，帶寬難以保證，所以不選用此方案。方案二：采用單片集成寬帶運(yùn)算放大器提供較高的輸出電壓,再由高速緩沖器BUF634實(shí)現(xiàn)擴(kuò)流輸出,提升放大器帶負(fù)載能力。此方案電路較簡單,容易調(diào)試,故采用此方案.〔3〕低通濾波器方案論證方案一：采用有源濾波器，通帶內(nèi)沒有可以沒有能量損耗，電路相對(duì)有源濾波復(fù)雜，需要直流電源供電。方案二：采用無源低通LC濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。無源LC濾波器的優(yōu)點(diǎn)是電路比擬簡單，不需要直流電源供電，可靠性高，為了使通帶盡量平坦，選用了通帶比擬平坦的巴特沃斯濾波器。同時(shí)在濾波器后參加固定增益放大器，彌補(bǔ)信號(hào)通過濾波器時(shí)幅度的衰減。2.方案描述電源電源輸入緩沖OPA642〔0dB〕壓控增益放大器AD603(-10-20dB)壓控增益放大器AD603(-10-20dB)系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由五個(gè)模塊構(gòu)成：前置放大電路、可控增益放大電路、低通濾波電路、后級(jí)功率放大電路、單片機(jī)顯示控制模塊。系統(tǒng)增益調(diào)節(jié)范圍為0～60dB，可控增益放大電路由兩級(jí)AD603構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了-20～40dB的增益調(diào)節(jié)范圍。前級(jí)放大電路增益為0dB,由OPA642作為電壓跟隨器，實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配，增大了后級(jí)輸入電壓。后級(jí)功率放大電路增益為20dB,由電流反應(yīng)型運(yùn)放AD811和THS3001串聯(lián)提供較高的輸出電壓，再通過多個(gè)緩沖器BUF634并聯(lián),擴(kuò)大輸出電流，提升放大器的帶負(fù)載能力，實(shí)現(xiàn)了在50歐姆負(fù)載上輸出10V有效值。系統(tǒng)具有增益預(yù)置并顯示和增益手動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)功能，還通過檔位切換和無源低通濾波電路，實(shí)現(xiàn)了帶寬預(yù)置并顯示功能。二、理論分析與計(jì)算1.增益分配本系統(tǒng)以可控增益放大器AD603為核心，兩級(jí)級(jí)聯(lián)其增益調(diào)節(jié)范圍理論值為-20～60dB，其它各單元電路都是根據(jù)AD603及題目要求設(shè)計(jì)。題目要求最大增益要大于60dB，最大輸出電壓有效值大于等于10V，輸入電壓有效值小于等于10mV,而中間級(jí)采用的可控增益放大器對(duì)輸入電壓和輸出電壓均有限制，所以，必須合理分配各級(jí)放大器的放大倍數(shù)。AD603增益與電平關(guān)系為：GAD603〔dB〕=40Vc+10。式中，Vc為AD603的增益控制電壓，范圍為-0.5V～0.5V,最大輸出電壓峰峰值為3Vpp，假設(shè)要實(shí)現(xiàn)發(fā)揮局部的輸出電壓有效值大于等于10V的要求，即輸出電壓峰峰值Vpp-min＝2×10×2＝28.28V，為得到最大輸出電壓,那么后級(jí)放大至少要有7.86倍?？紤]到濾波器對(duì)電壓的衰減，后級(jí)放大取26dB。那么兩級(jí)AD603取-20～40dB的增益調(diào)節(jié)范圍，式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)0~60dB的調(diào)節(jié)范圍。為實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配，系統(tǒng)第一級(jí)為輸入緩沖級(jí)，由OPA642構(gòu)成跟隨器。2.帶寬增益積分析題目要求的9MHz時(shí)通頻帶內(nèi)紋波小于1dB，實(shí)際上意味著放大器的1dB帶寬要到達(dá)9MHz以上，帶寬限制通過單獨(dú)的濾波器實(shí)現(xiàn)。壓控放大器AD603的帶寬為90MHz，前級(jí)跟隨器我們選擇了具有210MHz增益帶寬積的運(yùn)放OPA642，使得壓控放大器到達(dá)帶寬要求。功放局部采用的芯片為帶寬為的電流反應(yīng)性運(yùn)放AD811和帶寬配置成180MHz的緩沖器BUF634，以上措施使得整個(gè)系統(tǒng)除濾波器以外的1dB帶寬大于9MHz。3.通頻帶起伏分析通頻帶起伏分析由前述可知，在系統(tǒng)總體的通頻帶內(nèi)，通頻帶起伏僅由濾波器的通頻帶內(nèi)起伏決定，在-3dB通頻帶為10MHz時(shí)，在9MHz處的衰減小于-1dB，故需要做一個(gè)比擬陡峭的濾波器來實(shí)現(xiàn)，由濾波器設(shè)計(jì)軟件FilterSolution設(shè)計(jì)仿真得到，利用4階LC低通濾波器的邊緣特性可到達(dá)要求。5.線性相位采用模擬濾波器，只有貝塞爾濾波器能到達(dá)近似線性相位，但其缺點(diǎn)是阻帶邊緣過于平緩，要實(shí)現(xiàn)題目要求的特性，濾波器的階數(shù)會(huì)很高。我們使用的4階LC濾波器并不能到達(dá)線性相移。由于題沒有對(duì)放大器的相頻特性做出要求，我們還是使用了4階LC濾波器。6.抑制直流零點(diǎn)漂移抑制零點(diǎn)漂移的主要方法是要使系統(tǒng)工作在一個(gè)溫度相對(duì)定的環(huán)境中。在布局布線中讓芯片盡量遠(yuǎn)離熱源，并選用零漂小的芯片。因?yàn)轭}目要求在0Hz時(shí)帶內(nèi)的起伏要到達(dá)小于1dB,即誤差要控制在12%以內(nèi)。當(dāng)在增益為60dB，輸入信號(hào)為有效值10mV時(shí)，即可得最后輸出零點(diǎn)漂移電壓要小于10mV×60dB×12%=1.2V。我們可以假設(shè)外部溫度控制在10℃以內(nèi)，同時(shí)取極限最差情況：所有漂移都被放大60dB，那么可計(jì)算出零點(diǎn)漂移為：0.12mV/℃7.放大器穩(wěn)定性由于本系統(tǒng)的放大倍數(shù)非常大，后級(jí)的信號(hào)耦合到前級(jí)后很容易引起自激震蕩。為提高放大器的定性，需要注意的是要盡量做好電源退耦，特別是由于本系統(tǒng)的帶寬比擬寬，信號(hào)有可能通過電源線相互耦合，為了防止電源線引起的干擾，我們?cè)诿總€(gè)芯片的電源線上使用去耦電容。在運(yùn)放的連接中，反應(yīng)電阻要盡量靠近輸入引腳，防止反應(yīng)回路中的分布電容引入反應(yīng)回路中的極點(diǎn)，引起自激。除此之外在電路布局中使輸入級(jí)電路與輸出級(jí)電路遠(yuǎn)離，防止耦合。三、電路與程序設(shè)計(jì)1．電路設(shè)計(jì)(4)電源電路(1)前置放大電路前置放大電路使用電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)，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，輸入電阻為50。(2)壓控放大電路系統(tǒng)可控增益放大電路采用兩級(jí)AD603實(shí)現(xiàn)，單機(jī)AD603有高達(dá)-10dB到30dB的增益調(diào)整范圍，最高的線性增益誤差〔dB/V〕只有0.5dB/V，且具有90MHz的高增益控制帶寬。單級(jí)AD603增益與增益控制電壓Vc〔1腳和2腳間電壓差〕關(guān)系為：GAD603〔dB〕=40Vc+10，Vc范圍為-0.5V～0.5V,控制電壓由單片機(jī)控制12位DAC產(chǎn)生，DAC基準(zhǔn)為2.5V,那么DAC輸入值K與AD603控制電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系為Vc=2.5/4096×K，能夠非常容易的實(shí)現(xiàn)增益設(shè)置。AD603接成偏置電壓可調(diào)模式，電路如圖3-2所示:(3)濾波電路濾波電路采用四階LC低通濾波器，如下列圖所示：(4)功率放大電路功率放大電路由電流反應(yīng)型運(yùn)放AD811，THS3001HV和高速電流緩沖器BUF634構(gòu)成，AD811，THS3001HV和BUF634均可±18V供電，AD811調(diào)節(jié)偏置并實(shí)現(xiàn)8dB增益，THS3001HV實(shí)現(xiàn)23dB增益，能夠滿足題目高輸出電壓的要求。最后一級(jí)電壓放大器THS3001HV為電流反應(yīng)型運(yùn)放，具有2500V/us高壓擺率，當(dāng)增益設(shè)為20dB時(shí)，其帶寬為100MHz。BUF634的帶寬為30MHz,壓擺率為2000V/us，輸出電流為250mA。THS3001HV雖然具有高壓擺率，但其輸出電流有限，為實(shí)現(xiàn)高輸出電壓擺幅、大輸出電流，采用THS3001HV實(shí)現(xiàn)20dB增益，通過BUF634實(shí)現(xiàn)擴(kuò)流輸出。2．程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件顯示了友好的人機(jī)界面，采用非線性補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)了增益誤差校正，軟件實(shí)現(xiàn)了增益手動(dòng)連續(xù)設(shè)置并顯示和帶寬預(yù)置并顯示功能。流程圖如四、測試方案與測試結(jié)果1．測試方案與測試條件(1)測試儀器①SU3150DDS150MHz信號(hào)發(fā)生器②YT8045數(shù)字萬用表③YB4302020MHz模擬示波器(2)測試方案將各局部電路連接起來，輸出級(jí)加上50?負(fù)載，進(jìn)行整機(jī)測試。將輸入端短接，測量輸出噪聲峰峰值。將放大器的帶寬分別預(yù)置為5MHz與10MHz，5dB步進(jìn)或連續(xù)調(diào)節(jié)放大器的增益。測量不帶寬，不增益時(shí)的放大器的幅頻響應(yīng)。2．測試數(shù)據(jù)①負(fù)載測試經(jīng)測試放大器的輸入電阻51Ω，滿足題目要求的負(fù)載電阻〔50±2〕的要求。、②出噪聲測試③輸出電壓有效值測量輸入信號(hào)頻率為1MHz，輸入信號(hào)幅度可變，輸出信號(hào)波形無明顯失真。測試結(jié)果如下：高增益測試數(shù)據(jù)輸入RMS1mV5mV8mV10mVVoRMS/V2.38.99.810增益/dB76747169根據(jù)上述測試結(jié)果可知本系統(tǒng)到達(dá)最大電壓增益60dB，測得不失真最大輸出電壓有效值為10V同時(shí)到達(dá)了大于等于10V和最大電壓增益Au≥60dB的題目要求。④頻率特性測量輸入端參加有效值為8mV，增益設(shè)置為60dB。測試的數(shù)據(jù)如下：頻率測試數(shù)據(jù)頻率/Hz01102050100200500VoRMS/V8.98.98.68.98.98.68.6增益/dB60.960.960.660.960.960.660.6頻率/KHz15102050100200500VoRMS/V8.68.68.68.68.68.98.98.4增益/dB60.660.660.660.660.660.960.960.4頻率/MHz1234561012VoRMS/V8.28.28.68.68.67.97.15.7增益/dB60.260.260.660.660.659.959.057.1從以上表分析計(jì)算可得，系統(tǒng)的頻率特性滿足題目要求,3dB通頻帶0～12MHz；在0～9MHz通頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB，根本滿足實(shí)驗(yàn)要求。3．測試結(jié)果分析通過以上測試數(shù)據(jù)我們可以看到，系統(tǒng)在電壓增益范圍，輸入電壓有效值，通頻帶范圍，輸出電壓有效值等多個(gè)指標(biāo)上均到達(dá)題目的要求。采用簡單的三端穩(wěn)壓器件構(gòu)成的直流穩(wěn)壓源的效率不是很高，受功放工作條件所限，目前已無法進(jìn)一步提高輸出電壓的