宽带直流放大器 电子技能设计大赛.docx
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宽带直流放大器电子技能设计大赛
电子技能设计大赛（论文）
题目：
宽带直流放大器
院（系）：
专业班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
教师职称：
起止时间：
2009.12.25—2009.1.4
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电子与信息工程学院教研室：
电子信息教研室
学号
学生姓名
专业班级
课程设计（论文）题目
宽带直流放大器
课程设计（论文）任务
设计内容：
本设计共分为三大模块设计，分别是直流稳压电源电路，主放大电路，输出电路。
主放大电路采用5个OP37宽带放大器级联形式作为宽带直流放大器的放大部分，基本满足通频带带宽等要求；直流稳压电源输出±9V电压，滤掉了不用的电流，使功耗减少一半还多；驱动电路采用NE5534并联而成，大大的提高了驱动能力，很好的带动负载工作。
为降低噪声电路板采用敷铜片刮刻技术，成为设计一大亮点。
因此本设计简单明了，易于实现，成本较低，满足了题目的要求。
测试条件：
室温25℃，工频220V交流电源；测试仪器：
信号发生器、数字万用表、示波器
指导教师评语及成绩
成绩：
指导教师签字：
年月日
目录
第1章方案论证与选择
1.1输入、放大电路的方案选择…………………………………………………………1
1.2输出电路……………………………………………………………………………1
1.3直流稳压电源………………………………………………………………………1
第2章硬件电路设计与参数计算……………………………………………………2
2.1输入电路与主放大电路设计………………………………………………………2
2.1.1集成运算放大器的选择…………………………………………………………2
2.1.2级联级数计算与选择……………………………………………………………3
2.2输出电路设计………………………………………………………………………3
2.3直流稳压电源电路设计……………………………………………………………3
2.4增益调节电路………………………………………………………………………4
第3章抗干扰措施………………………………………………………………………5
3.1焊接板的选择………………………………………………………………………5
3.2各元件布局问题……………………………………………………………………5
3.3原件选材问题………………………………………………………………………5
3.4使用同轴电缆………………………………………………………………………5
第4章系统调试和指标测试…………………………………………………………6
4.1输入阻抗……………………………………………………………………………6
4.2幅频特性测试………………………………………………………………………6
4.3误差分析……………………………………………………………………………6
4.4测试性能总结………………………………………………………………………6
第5章总结………………………………………………………………………………7
参考文献……………………………………………………………………………………7
附录…………………………………………………………………………………………8
第1章方案论证与选择
按照题目要求，可将本设计分为：
输入输出电路、主放大电路，增益调节电路、稳压电源等模块，各模块间的关系如图1.1所示。
图1.1总体方案框图
1.1输入、放大电路的方案选择
方案一：
采用分立元件实现。
此方案成本低，元器件易于得到，但是设计、调试难度过大，在大赛规定的时间内很难保证作品的可靠性及指标，因此不予采用。
方案二：
采用高速宽带集成运放设计。
此方案电路简单，调试容易，指标和可靠性容易保证，因此采用此方案。
1.2输出电路
本题目制定了一定的带载要求，因此需要设计驱动电路。
方案一由三极管组成的功率放大电路。
此电路简单、成本低，但是容易引入干扰，且调试困难，不予采用。
方案二由集成运放组成扩流电路。
在保证基本带宽的前提下，采用集成运放组成的电压跟随器，工作稳定，调试方便，采用此方案。
1.3直流稳压电源
方案一开关电源。
该种电源效率高，但是电路复杂，工作频率几十到几百千赫，基波与部分谐波均在本放大电路的通频带内，比较容易发生串扰现象。
故不予采用。
方案二线性稳压电源。
串联型稳压电源电路简单，效率较高，采用三端集成稳压器实现、成本低、方便，可靠采用此方案。
第2章硬件电路设计与参数计算
2.1输入电路与主放大电路设计
按照题目要求，要求输入阻抗≥50Ω，40dB以上放大，0-5MHz带宽。
如果采用反相输入放大电路的形式，只要合理选择反相端与输入信号之间的的电阻，输入阻抗的条件很容易满足。
因此不需要额外设计输入缓冲电路。
带宽与放大倍数是相互矛盾的，如何既能保证足够的放大倍数并且在较宽的频带内放大倍数又不衰减呢？
最简单的解决办法是采用放大电路级联的方法，如下图所示：
图2.1放大电路级联图
由图中可以看出，在保证总增益的前提下，级联的级数越多对每一级的放大倍数要求就越低，就可以满足带宽要求，但是级数多了会使得噪声问题越发严重，因此，要合理选择级联级数，并且要使用一定的消噪方法。
2.1.1集成运算放大器的选择
目前市面上集成运算放大器的种类有很多种，用作宽带放大器的主要有以下几种：
OP37,AD603和NE5534等。
（1）AD603频带宽，噪声低，但是目前市面上的报价为几十元钱，增益在30dB以下时频带宽度能达到90MHz，而且低频特性差，因此本设计不予采用。
（2）NE5534市面上的报价相对较低，但其频带宽度相对较窄，仅为10MHz，很难达到设计要求，因此主放大电路不予采用。
但是输出驱动电路可考虑采用。
（3）OP37在市面上的报价为几元钱，性价比相对较高，并有低噪声，单位增益带宽可达65MHz，因此无论从性价比和频带宽度来看，OP37是最好的选择。
2.1.2级联级数计算与选择
根据题目要求3dB时通频带要求在0～5MHz间，因此必须估算出每一级级联时的频带宽度。
题目要求电压增益AV≥40dB，因此放大倍数Av=20lg40=100由于每一级的电压增益之积等于放大器的增益，而每一级的放大倍数又相等，故设每一级的电压增益为X。
（1）当级联数为3时，即有3个OP37级联时，X3=100得到X=1001/3=4.642
因为OP37的基准带宽是63MHz，Fh1=63/X=13.5717MHz，可以得到截止频率估算公式上限频率为FH≈Fh1/（1.1*31/2）=13.5717/（1.1*31/2）=7.1235MHz。
由于下限频率为0，故通频带带宽为上限频率与下限频率之差，即：
B=FH-FL=7.1235-0=7.1235MHz
（2）当级联数为4时，即有4个OP37级联时，如上计算得到X=3.162
Fh1=63/X=63/3.162=19.9241MHz，FH≈Fh1/（1.1*41/2）=19.9241/（1.1*41/2）=9.0564MHz
B=FH-FL=9.0564-0=9.0564MHz
当级联数为5时，即有5个OP37级联时，同理得到X=2.5119，Fh1=63/X=63/2.5119=25.0806MHz,FH≈Fh1/（1.1*41/2）=25.0806/（1.1*51/2）=10.1970MHz,B=FH-FL=10.1970-0=10.1970MHz
（3）当级联数为6时，即有6个OP37级联时，同理得到X=2.1544
Fh1=63/X=63/2.1544=29.2425MHzFH≈Fh1/（1.1*61/2）=29.2425/（1.1*61/2）=10.8529MHz,B=FH-FL=10.8529-0=10.8529MHz
（4）当级联数为7时，即有7个OP37级联时，同理得到X=1.9307
Fh1=63/X=63/1.9307=32.6307MHzFH≈Fh1/（1.1*71/2）=32.6307/（1.1*71/2）=11.2118MHz
B=FH-FL=11.2118-0=11.2118MHz
从计算结果看到，3到7级OP37级联时，级数越高，通频带带宽就越接近设计要求，但考虑到级数大噪声干扰大等原因，综合来看本设计采用的5级级联结构，接近题目要求同时减少噪声干扰，降低成本，节约元器件。
其原理图如附录主放大电路所示。
2.2输出电路设计
输出电路采用5个NE5534并联结构。
因为题目要求驱动50Ω负载，而输出电压为2V，因此必须要有40mA的电流才能驱动负载，一个NE5534芯片无法满足题目要求，因此我们想到采用5个NE5534电压跟随器并联的结构，大大扩展了输出电流，使输出电流达到了50mA，这样很容易驱动负载，也能很好的满足题目的要求。
其原理图如附录输出电路所示。
2.3直流稳压电源电路设计
本设计采用三端集成稳压电源电路，这类电路的形式比较简单，从电流电网侧刀输出，电路中有：
整流变压器，桥式整流器，滤波电容器，集成稳压器，输出旁路电容器。
设计框图如下所示：
图2.2直流稳压电源框图
（1）整流电路的选择
整流器的选择首先要考虑耐压问题，然后是电流额定问题。
对于低压整流电路，整流器的耐压不是问题，所以在选择整流器时仅需要其额定电流。
所以从经济性角度考虑，可以选择4只整流二极管组成桥式整流器，型号为1N4007，其耐压值为1000V，额定电流为1A，在这里选择1N4007的原因是1N4000系列中，所有规格的价钱基本是一样的，而1N4007最容易买到。
（2）滤波电容器的选择
整流滤波电容器的选择主要是电容器的额定电压和电容量。
滤波电容器额定电压的选择必须考虑空载且是最高电源电压的工作状态，这时的滤波电容器上的电压将不低于最高电源电压式变压器空载电压峰值。
因此在这里我们选择470uF/35V的铝电解电容器。
（3）集成稳压器的选择
集成稳压器是指将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路。
由于集成稳压器具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显箸优点，在各种电源电路中得到了普遍的应用。
本次设计要用到±9V电压，因此用7809/7909三端稳压器来组成稳压电源，此电路所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜，在市面上价格不到一元人民币，因此是本次设计的最佳选择
（4）其他原件的选择
由于电路工作时要生热，因此我们必须有很好的散热原件，以保证元器件不被损坏，因此我们在焊接集成稳压器时焊接了散热片，这样防止原件的损坏，延长了电源的使用寿命。
其原理图如附录电源电路所示。
2.4增益调节电路
题目要求电压增益AV可在0～40dB范围内手动连续调节。
方法调节增益。
第3章抗干扰措施
3.1焊接板的选择
在原理图确定以后，接下来的任务就是焊接电路图，因此选择好的焊接板很重要，我们平常最常用的焊接板是多功能板，多功能板虽然很容易买到而且价格低廉，但是用多功能板焊接电路需要走大量导线，导线对地的分布电容极易引起干扰，加大噪声，而且设计放大电路时有5级OP37级联，因此，若是引入了一定的噪声，势必会使输出结果不准确，甚至噪声信号大于输出信号，使设计失败。
基于以上原因，我们选用覆铜板焊接，就可以避免此种情况。
敷铜板有板基和铜箔组成，板基通常采用玻璃纤维等绝缘材料，上面覆盖一层铜箔（通常采用无氧铜）。
铜箔经过刮刻后就剩下一段一段曲曲折折的铜箔，这些铜箔称为走线。
这些走线的功能就相当于电路原理图中的那些连线，它们负责把元器件的引脚连接到一起。
铜箔上钻有一些钻孔，用来安装电子元件。
选择敷铜片能够避免大量导线连接，因此大大降低了引进噪声的可能性。
3.2各元件布局问题
为了更好的避免噪声干扰，我们在元器件布局方面也做了很多努力，元器件的布局没有太分散，而是尽量做到紧凑，这样走线会尽可能短，引进噪声的可能性降到最低。
3.3原件选材问题
本设计采用的电阻和电容全部是贴片电阻电容。
贴片元件与引线元件相比有着许多好处。
体积小重量轻自不必说，从制作和维修的角度看，贴片元件比引线元件容易焊接，容易拆卸。
引线元件的拆卸是比较麻烦的，哪怕是只有两只引脚，拆下来也很容易损坏电路板，多引脚的就更不用说了。
而拆卸贴片元件就容易多了，不光两只引脚容易拆，即使一、二百只引脚的元件多拆几次也可以不损坏电路板。
贴片元件的另一个好处是便于替换，因为许多电阻、电容和电感都有相同的封装尺寸，同一个位置可以根据需要装上电阻、电容或电感，增加了设计调试电路的灵活性。
贴片元件还有一个很重要的好处，那就是提高了电路的稳定性和可靠性，对于制作来说就是提高了制作的成功率。
这是因为贴片元件没有引线，从而减少了杂散电场和杂散磁场，并且价格便宜。
可以说，贴片元件是最好的选择了。
3.4使用同轴电缆
输入级和输出级使用BNC接头，输入级和功率级之间用同轴电缆相连接.大大降低了噪声干扰。
第4章系统调试和指标测试
测试条件：
室温25℃，工频220V交流电源；测试仪器：
信号发生器、数字万用表、示波器；测试方案与测试结果分析：
4.1输入阻抗
由于本放大电路采用反相比例放大电路，且此放大器输入端对地有2.2K的匹配电阻，由于运放的输入阻抗远大于2.2K，所以信号输入时能保证放大器的输入阻抗大于50Ω。
4.2幅频特性测试
在放大器输入端输入峰峰值40mV的正弦波，改变输入信号频率，分别测试输入输出电压，计算增益。
表4-1
F（Hz）
0
5K
10K
200K
500K
1M
1.2M
1.3M
1,5M
Vi（mV）
40.00
40.00
40.00
40.00
40.00
40.00
40.00
40.00
40.00
Vo（V）
4.00
4.00
4.00
4.00
4.00
3.58
2.80
2.40
2.00
Av
100
100
100
100
100
89.5
70
60
50
G（db）
40
40
40
40
40
39.04
37.0
35.6
34.0
4.3误差分析
通过精确的测试，结果如上所示，频带宽度达到1.5MHz左右，而题目要求通频带宽度在0~5MHz,。
通过计算理论上通频带宽度可以达到10MHz左右，并且我们的放大器进行了消噪处理，排除了噪声干扰的可能性，同时我们用NE5534芯片替换OP37芯片，NE5534芯片的带宽只有10MHz，通频带带宽可以达到700KHz,而OP37芯片带宽达到63MHz，放大器通频带带宽却只有15MHz左右，同时对单级放大器也进行了测试，通频带宽度远远小于理论值。
所以我们有理由怀疑是OP37芯片本身的问题，它本身的带宽就远远不足63MHz，性能指标没有达到要求。
。
4.4测试性能总结
从指标上看我们的低频信号很好的满足了题目的要求，抗干扰性能极佳。
尽管有五级放大器，却大大降低了噪声的干扰。
第4章设计总结
作为一名大四学生，我觉得做电子技术课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。
在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业课。
我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，如何去锻炼我们的实践能力？
如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢？
我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。
在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。
为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可少的。
我们是在做单片机课程设计，但我们不是艺术家，他们可以抛开实际尽情在幻想的世界里翱翔，而我们一切都要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。
设计过程，好比是我们人类成长的历程，常有一些不如意，难免会遇到各种各样的问题。
在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
通过查阅大量有关资料，并交流经验和自学，若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教老师，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。
通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。
这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。
通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。
更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。
虽然自己对于这门课懂的并不多，很多基础的东西都还没有很好的掌握，觉得很难，也没有很有效的办法通过自身去理解，但是靠着这一个多礼拜的“学习”，渐渐对这门课逐渐产生了些许的兴趣，自己开始主动学习并逐步从基础慢慢开始弄懂它。
我认为这个收获应该说是相当大的。
觉得课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联系到以后毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程。
参考文献
（1）陈永真.通用集成电路应用、选型与代换[M].北京：
中国电力出版社，2007
（2）宁武，康晓宇，闫晓金.全国大学生电子设计大赛基本技能指导[M].北京：
电子工业出版社.2009
（3）李清泉，黄昌宁.集成运算放大器原理及应用.北京：
科学出版社，1998
（4）陈永真.线性功率集成电路原理及应用.北京：
机械工业出版社，2009
（5）陈永真,宁武，蓝和慧.新编全国大学生电子设计竞赛试题精解篇.北京：
机械工业出版社，2009
附录：
器件清单
器件名称
型号
数量/个
说明
三端集成稳压器
放大器
NE5534
5
OP37
5
二极管
IN4007
6
电解电容
470uF
2
电阻
电阻
2.2k
5
2.7k
5
6.8k
5
4.7
5
电容
1uF
20
电容
敷铜板
1
升级会员 