1、. .PAGE7 / NUMPAGES7寬帶直流放大器（C題）本科組摘要本設(shè)計利用可變增益寬帶放大器AD603來提高增益和擴大AGC 控制圍，通過軟件補償減小增益調(diào)節(jié)的步進間隔和提高準(zhǔn)確度。輸入部分采用高速電壓反饋型運放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對稱電路。整個系統(tǒng)通頻帶可達20MHz，最小增益0dB，最大增益70dB。增益步進ldB，60dB以下預(yù)置增益與實際增益誤差小于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

2、較增益控制部分方案一 原理框圖如圖1所示，場效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，輸出信號取自電阻與場效應(yīng)管與對V的分壓。采用場效應(yīng)管作AGC控制可以達到很高的頻率和很低的噪聲，但溫度、電源等的漂移將會引起分壓比的變化，用這種方案很難實現(xiàn)增益的精確控制和長時間穩(wěn)定。方案二 采用可編程放大器的思想，將輸入的交流信號作為高速D/A的基準(zhǔn)電壓，這時的D/A作為一個程控衰減器。理論上講，只要D/A的速度夠快、精度夠高就可以實現(xiàn)很寬圍的精密增益調(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

3、益（dB）成線性關(guān)系的可變增益放大器來實現(xiàn)增益控制（如圖2）。用電壓控制增益，便于單片機控制，同時可以減少噪聲和干擾。綜上所述，選用方案三，采用集成可變增益放大器AD603作增益控制。AD603是一款低噪聲、精密控制的可變增益放大器，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。2.功率輸出部分此部分采用分立元件對管TIP41與TIP42搭建的甲乙類互補對稱電路。3.自動增益控制（AGC）利用單片機根據(jù)輸出信號幅度調(diào)節(jié)增益。輸出信號檢波后經(jīng)過簡單2級RC濾波后由單片機采樣，截止頻率為10

4、0Hz。由于放大器通頻帶低端在1kHz，當(dāng)工作頻率為1kHz時，為保證在增益變化時輸出波形失真較小，將AGC響應(yīng)時間設(shè)定為10ms，用單片機定時器0來產(chǎn)生10ms中斷進行輸出有效值采樣，增益控制電壓也經(jīng)過濾波后加在可變增益放大器上。AGC 控制圍理論上可達080dB，實際上由于輸入端加了保護電路，在不同輸出電壓時AGC圍不一樣，輸出在4.55.5V時AGC圍約為70dB，而當(dāng)輸出為22.5V時AGC圍可達80dB。二、理論分析與參數(shù)計算1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AD603的基本增益,單位

5、是dB。從此式可以看出，以dB作單位的對數(shù)增益和電壓之間是線性的關(guān)系。由此可以得出，只要單片機進行簡單的線性計算就可以控制對數(shù)增益，增益步進可以很準(zhǔn)確地實現(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)雜的對數(shù)運算轉(zhuǎn)化為以dB為單位后再去控制AD603的增益，這樣在計算過程中就引入了較大的運算誤差。AGC 介紹AGC 是自動增益控制電路的簡稱，常用在收音機、電視機、錄像機的信號接收和電平處理電路中。它的作用是當(dāng)信號較強時，使其增益自動降低；當(dāng)信號較弱時，又使其增益自動增高，從而保證輸出信號基本穩(wěn)定。三、系統(tǒng)各模塊電路的設(shè)計1.輸入緩沖和增益控制部分輸入緩沖和增益控制部分為輸入緩沖和增益

6、控制電路，由于AD603的輸入電阻只有100，要滿足輸入電阻大于24k的要求，必須加入輸入緩沖部分用以提高輸入阻抗；另外前級電路對整個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放OPA642作前級跟隨，同時在輸入端加上二極管過壓保護。輸入部分先用電阻分壓衰減，再由低噪聲高速運放OPA642放大，整體上還是一個跟隨器，二極管可以保護輸入到OPA642的電壓峰峰值不超過其極限(2V)。其輸入阻抗大于24k。OPA642的增益帶寬積為400MHz，這里放大34倍，100MHz以上的信號被衰減。輸入輸出端口P1、P2由同軸電纜連接，以防自激。級間耦合采用電解電容并聯(lián)高頻瓷片電

7、容的方法，兼顧高頻和低頻信號。增益控制部分裝在屏蔽盒中，盒采用多點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，使得輸入級連線盡可能短。該部分采用AD603典型接法頻帶最寬的一種，通頻帶為90MHz，增益為-10+30dB，輸入控制電壓U的圍為-05+05V。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)=40U+10，一級的控制圍只有40dB，使用兩級串聯(lián)，增益為AG(dB)=40 Ul+40U2+20，增益圍是-20+60dB，滿足題目要求。由于兩級放大電路幅頻響應(yīng)曲線一樣， 所以當(dāng)兩級AD603串聯(lián)后，帶寬會有所下降，串聯(lián)前各級帶寬為90MH

8、z左右，兩級放大電路串聯(lián)后總的3dB帶寬對應(yīng)著單級放大電路15dB帶寬，根據(jù)幅頻響應(yīng)曲線可得出級聯(lián)后的總帶寬為60M。圖32.功率放大部分電路如圖4所示。考慮到負(fù)載電阻為50，輸出有效值要大于2V，所以電壓仍需放大，整個功放電路的電壓增益在這一級，第二級進行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)速率達到3MHz，最大電流為6A，最大輸出功率可達65W，符合題目要求。圖43.控制部分這一部分由51系列單片機、D/A和基準(zhǔn)源組成。使用8位串行D/A芯片DA0832。4.穩(wěn)壓電源部分電源輸出5V、18V電壓供給整個系統(tǒng)。電路圖部分如下所示。四、系統(tǒng)調(diào)試和測試結(jié)果1.

9、測試方法將各部分電路連接起來，先調(diào)整0dB，使輸出信號幅度和輸入信號幅度相等，然后接上50的負(fù)載電阻進行整機測試。測試結(jié)果電壓增益AV40dB，輸入電壓有效值Vi20mV。AV可在040dB圍手動連續(xù)調(diào)節(jié)。最大輸出電壓正弦波有效值Vo2V，輸出信號波形無明顯失真。3dB通頻帶05MHz；在04MHz通頻帶增益起伏1dB。最大電壓增益AV60dB，輸入電壓有效值Vi10 mV。最大輸出電壓正弦波有效值Vo10V，輸出信號波形無明顯失真。參 考 文 獻1 美塞爾吉歐.佛朗哥著，基于運放放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計，第三版，交通大學(xué)，20092 華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組編，康光華主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ).模擬部分.第2版