宽带放大器的设计与研究1 2解读Word格式.docx
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外文资料
中文译文
致谢
第一章
绪论
一.1宽带放大器简介
一.1.1宽带放大器的发展历史
自1877年爱迪生发明留声机至今已有127年了，前70年音响发展缓慢且大多停留在象牙塔中，后50余年进入民间，发展日新月异。
自从1927年贝尔实验室发表了划时代的负反馈技术后，声频功率放大器开始进入一个崭新时代。
1947年，威廉逊（Williamson）在英国《无线电世界》发表了划时代的《高保真放大器设计》一文，介绍了一种电子管功率放大器，成功地应用了负反馈技术，其失真度仅为0.5%，音色之靓，堪称古典功放之皇。
自威廉逊的论文发表后4年，美国《Audio》杂志刊登了把超线性放大器经过适当变形后与威廉逊放大器相结合的电路。
其超线性设计，大大地降低了非线性失真。
可以认为威廉逊放大器和超线性放大器标志着负反馈技术在音频领域中的应用已经日趋成熟和广泛，为十年后脱颖而出的晶体管放大器奠定了坚实基础。
50年代末，美国在电子器件技术领域率先跨出一步，推出了时代骄子——集成电路。
到了60年代末70年代初，集成电路以其质优价廉、多功能的特点开始在音频功率放大器上广泛应用。
1977年，日立公司生产出了世界上第一只VMOS（VerticalMetalOxideSemiconductor）功率管。
60年代，晶体管开始问世，从此揭开了现代放大器的序幕。
1970—1973年，是级间全部直耦OCL（OutputCapacitorless）方式的普及期；
1974—1976年是DC（DigitalCircuit）放大器全盛时期。
70年代末至今，晶体管功率放大器得到了淋漓尽致的发挥，设计形式已相当多，这一切都为集成电路功放技术设计铺平了道路。
70年代到现在,增加信号幅度或功率的装置。
它是自动化技术工具中处理信号的重要元件。
放大器的放大作用是用输入信号控制能源来实现的，放大所需功耗由能源提供。
对于线性放大器，输出就是输入信号的复现和增强。
对于非线性放大器，输出则与输入信号成一定函数关系。
放大器按所处理信号物理量分为机械放大器、机电放大器、电子放大器、液动放大器和气动放大器等，其中用得最广泛的是电子放大器。
随着射流技术的推广，液动或气动放大器的应用也逐渐增多。
电子放大器又按所用有源器件分为真空管放大器、晶体管放大器、固体放大器和磁放大器，其中又以晶体管放大器应用最广。
在自动化仪表中晶体管放大器常用于信号的电压放大和电流放大，主要形式有单端放大和推挽放大。
此外，还常用于阻抗匹配、隔离、电流-电压转换、电荷-电压转换（如电荷放大器）以及利用放大器实现输出与输入之间的一定函数关系（如运算放大器）。
从此来看，放大器经过了电子管、晶体管、集成电路及VMOS功率管等几个时期，它们皆以各自独特的不可取代的优势各领风骚。
[1]
一.1.2宽带放大器的主要特点
虽然宽带放大器的下限频率低，但由于其上限频率高，因此三极管必须采用特征频率很高的高频管，分析电路时也必须考虑三极管的高频特性。
不同用途的宽带放大器，其电路形式有所不同，大体上可分为两种情况。
放大从低频到高频信号的宽带放大器，一般采用直接耦合的直流放大器；
放大从低频到高频信号的宽带放大器多采用阻容耦合放大器。
但不管那一类放大器，由于频带宽，负载总是非调谐的。
[2]
一.1.3宽带放大器的主要技术指标
1、通频带
通频带是基本指标，由于用途不同，对其要求也不同。
因为下限频率很低，而上限频率很高，往往就用上限频率表示频带宽度。
如若下限频率接近零，就必须注明它的下限频率值，以便在设计电路时，充分考虑下限频率的顺利通过。
2、增益
宽带放大器的增益应足够高。
但增益与带宽的要求往往是相互矛盾，有时
不得不牺牲增益来得到带宽。
为了全面衡量放大器的质量指标，常需考虑放大器的带宽增益积（GB）。
GB值越大，宽带放大器的质量越高。
3、输入阻抗
为了减轻宽带放大器对前级的影响，要求放大器的输入阻抗高。
高质量的宽带放大器的输入阻抗一般为兆欧级。
4、失真
宽带放大器的失真要小。
失真包括非线性失真、频率失真和相位失真。
为减小非线性失真，宽带放大器应该工作在器件特性曲线的直线段，而且应工作在甲类状态。
产生频率失真的原因是由于三极管在高频时的电容效应，以及外电路中存在的电抗元件。
由此使宽带放大器对不同频率的信号增益不同，从而引起频率失真。
而不产生相位失真的条件则是各频率分量的时延均相等。
如：
在电视接收机中，相位失真会使显示的图像色彩失真，出现双重轮廓、画面亮度不均匀等故障。
[3]
一.2课题意义
宽带放大器是音响、有线电视、无线通信等系统中必不可少的部分，现在对放大器的发展做一个简要介绍。
工作频率上限与下限之比远大于1的放大电路。
习惯上也常把相对频带宽度大于20％～30％的放大器列入此类。
这类电路主要用于对视频信号、脉冲信号或射频信号的放大。
用于电视图像信号放大的视频放大器是一种典型的基带型宽带放大器，所放大的信号的频率范围可以从几赫或几十赫的低频直到几兆赫或几十兆赫的高频。
这类放大器通常以电阻器为放大器的负载，以电容器作级间耦合。
为了扩展带宽，除了使其增益较低以外，通常还需要采用高频和低频补偿措施，以使放大器的增益-频率特性曲线的平坦部分向两端延展。
可以归入宽带放大器的还有用于时分多路通信、示波器、数字电路等方面的基带放大器或脉冲放大器（带宽从几赫到几十或几百兆赫），用于测量仪器的直流放大器（带宽从直流到几千赫或更高），以及音响设备中的高保真度音频放大器（带宽从几十赫到几十千赫）等。
用于射频信号放大的宽带放大器（大多属于带通型），如雷达或通信接收机中的中频放大器，其中心频率为几十兆赫或几百兆赫，通带宽度可达中心频率的百分之几十。
[4]
近年来随着计算机和互联网的迅速普及，多媒体信息的高速传输呈现飞速增长的趋势。
宽带放大器在光纤通信、电子战设备及微波仪表等方面应用越来越广泛。
这些系统一般要求放大器具有增益可调、宽频带、低噪声、工作稳定等特点。
要同时满足这些性能指标，对电路设计提出了很高的要求，尤其是高频PCB和电磁兼容的设计要求。
一.3课题设计要求
设计并制作一个宽带直流放大器及所用的直流稳压电源，要求如下：
1、电压增益AV≥40dB，AV可在10～40dB（增益值6级可调，步进间隔5dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB），需显示预置增益值。
2、最大输出电压正弦波有效值Vo≥3V，输出信号波形无明显失真。
3、3dB通频带10KHz～6MHz，在20KHz～5MHz通频带内增益起伏≤1dB。
4、放大器的输入电阻≥1K，带50负载电阻。
5、设计并制作满足放大器要求所用的直流稳压电源。
第二章
系统设计方案论证和比较
二.1系统总体设计及原理方框图
整体电路方框图如图2-1所示。
采用新型STC89C58RD单片机作为控制器，实现增益控制和人机对话。
放大部分有前级跟随、可控增益放大和后级放大三部分构成。
前级缓冲可以提高放大器的输入阻抗，后级放大实现电压放大和负载驱动。
其中加入滤波装置，设计10MHz的LC巴特沃斯低通滤波器来提高系统控制效果。
用户通过矩阵键盘预置增益值，单片机通过高精度DA转换产生控制电压实现对放大器增益的精确控制。
AD转换将输出电压的有效值送回给单片机，实现液晶显示。
图2-1系统原理方框图
二.2方案论证和比较
二.2.1前级放大部分
方案一：
采用共源共基差分式放大电路，该电路具有较高的输入阻抗，并且共基电路一方面可以扩展电路高频响应，同时又将共源电路负载电路隔离，使负载电阻产生的热噪声经过Cgd耦合到输入端，可以达到提高抗噪声性能。
但这种电路结构其抗噪声能力关键取决于所用器件，由于特性一致的晶体管和场效应管不容易购买，若采用一致性稍差的管子，其抗噪声性能会明显降低。
[5]
方案二：
使用宽带运算放大器，采用电压跟随器形式可以抑制共模信号降低噪声，并能提高输入阻抗。
方案比较：
方案二其抗噪性能不一定优于方案一，但电路形式简单，易于调试，并且期间易于购买，能够满足题目的输入阻抗的要求故选取该方案。
二.2.2可控增益放大部分
采用分立元件。
利用高频三极管构成多极放大电路实现满足增益40dB要求，同时用二极管在输出端检波产生电压反馈，实现自动增益控制的目的。
由于采用分立元件，致使电路复杂，不易实现增益的精确控制，电路稳定度差，容易产生自激，频带内增益的稳定也不易实现。
选择高速、宽带放大器，组建两级放大电路，可以用继电器或模拟开关构成电阻网络。
通过单片机控制继电器的导通与关断，来选择不同的增益调节。
但是控制的数字量和最后的增益（dB）不成线性关系而是成指数关系，造成增益调节不均匀，精度下降。
同时，如果使用模拟开关，其导通电阻较大，而且各通道信号会互相干扰，容易影响系统性能。
方案三：
直接选择可控增益放大器AD603实现，其内部有梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯形网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定；
而这个参考电压可通过单片机进行运算被控制D/A转换器输出控制电压得到，从而实现精准的控制。
此外AD603能提供30MHz以上的带宽，两级级联后得到40dB以上的增益，这种电路有优点电路集成度高，条理清晰，控制方便，易于数字化处理。
不足之处是两级可变增益放大器串联会导致零点漂移过大，有可能造成同频带下降，波形失真等不良影响。
方案四：
采用可变增益放大器和固定增益放大器结合方式，通过继电器的通断来控制固定增益放大器的使用与否。
当设定增益较低时，只使用可变增益放大器进行调节；
当设定增益较高时，可变增益放大器无法单独完成增益放大要求，通过继电器的切换选择，固定增益放大器投入使用，即可完成任务要求。
解决了两级可变增益放大器串联导致零点漂移过大，但需要元器件难以获得，并且控制规律复杂，不易进行程序设计。
[6]
方案一采用分立元件，弊端极多，不予考虑；
方案二存在阻抗匹配的问题，而且自行搭建的电阻网络，可能会导致系统干扰变大，且面临步进难以进一步细分的困难，且增益量（dB）不成线性；
方案四能够较好的实现题目，但需要元器件难以获得，并且控制规律复杂，不易进行程序设计。
现阶段很难实现。
方案三可以达到步进0.2dB的精度，单片机易于控制，自动增益控制也可以通过软件方法来实现，考虑到可以实现系统要求，通过一些电路设计改进措施，可以抑制零点漂移，因此最终选择了方案三。
二.2.3功率放大部分
采用晶体管单端推挽放大电路。
该电路广泛应用于示波器、显像管中。
通过多级深度负反馈和各种回路补偿扩展通频带。
为获得较低的通频带下限频率，可用直接耦合方式，而直接耦合的多级放大器工作点调试繁琐，需要较丰富的实践经验。
并且若要得到较高的输出电压，晶体管放大电路对电源电压要求较高。
[7]原理图见图2-2。
图2-2功率放大部分方案一原理图
采用高速、宽带放大器AD811作为后级放大。
AD811的单位增益带宽为140MHZ，摆率为2500V/uS，输出电流可达100mA，完全可以满足要求。
方案二采用集成运放电路简单，干扰较少，很容易实现放大器的稳定性和带内幅度稳定的要求；
方案一采用分立元件虽节省了成本，但系统干扰可能会较大，调试也比较麻烦，综合考虑选择方案二。
二.2.4有效值检测部分
利用高速ADC对电路进行一周期数据采样，将一周期内的数据输入单片机并计算其均方根值，即可得出电压有效值（式2－1）。
此方案具有抗干扰能力强、设计灵活等优点，但是调试困难，需要高速AD进行采样和高速处理器进行数据处理，不易实现。
[8]
（2－1）
对信号进行精密整流并积分，得到正弦电压的平均值，再进行ADC采样，利用平均值和有效值之间的简单换算关系，计算出有效值并显示。
只用了简单的整流滤波电路和单片机就可以完成交流信号的有效值的测量。
但此方法对非正弦波的测量会引起较大的误差。
采用集成真有效值变换芯片AD637，AD637是AD公司RMS-DC产品中当前国际上转换精度最高（指加外部精调电路后）及频带最宽的真有效值转换器，并且AD637可以对输出电平信号的以dB形式指示，可以测出任意波形交变信号的有效值。
器外围器件少、频带宽，输出有效值用A/D采样来进行单片机处理。
从实现难度和操作难易方面综合考虑，选择方案三。
变换芯片选用AD637。
AD637是真有效值变换芯片，它可测量的信号有效值可高达7V，精度优于0.5％，且外围元件少，频带宽，对于一个有效值为1V的信号，它的3dB带宽为8MHz,并且可以对输入信号的电平以dB形式指示，该方案硬件、软件简单，精度也很高。
第三章
硬件电路设计
三.1单片机显示控制模块
三.1.1单片机最小系统
1、单片机STC89C58RD
系统核心控制器件采用宏晶科技公司生产的新型单片机STC89C58RD，此款单片机加密性较强。
具有超强抗干扰能力：
（1）高抗静电（ESD保护）；
（2）轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰（EFT）测试；
（3）宽电压，不怕电源抖动；
（4）宽温度范围，-40℃～85℃。
并具有超低功耗和对外部电磁辐射抗干扰性能。
[9]
STC89C58RD含有丰富的硬件资源，提供灵活、高效的多方面控制应用。
芯片内含32Kflash存储器，1280BRAM存储器，16KEEPROM存储器，因为本系统代码量较大，使用此款单片机可以不用再去扩展外部存储器，简化了硬件设计。
其与AT89C51系列可完全兼容，也不需要再去学习新的指令系统，移植性较好。
STC89C58RD提供32个I/O通道、三个16位定时器/计数器、6个中断源以全双工串行接口，片内振荡器及时钟电路。
STC89C58RD支持两种软件可选的接电工作模。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作，并禁止其他所有器件工作知道下一个硬件复位。
较传统51内核单片机，STC89C58RD使用经典的RS232标准串口就可以实现ISP程序下载功能。
STC89C58RD单片机在线编程典型电路如图3-1所示。
图3-1STC89C58RD单片机在线编程典型电路
2、
时钟电路
单片机虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。
STC89C58RD单片机的时钟产生方式有两种：
内部震荡方式和外部时钟输入方式。
本系统采用的是内部时钟方式。
STC89C58RD单片机中有一个用于构成内部振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别在该放大器的输入端和输出端。
外接石英晶体振荡器及瓷片电容接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
电容的容量大小有可能影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易以及温度的稳定性。
推荐使用两片30pF陶瓷电容。
本系统采用11.0592MHz晶振和30pF电容构成时钟电路。
时钟电路如图3-2。
图3-2时钟电路
3、复位电路
几乎所有单片机都需要复位电路，复位电路的基本功能是：
在单片机上电时能可靠复位，对单片机进行初始化操作，是单片机内部各寄存器处于一个确定的初试状态，以便进行下一步操作。
图3-3复位电路
要实现复位操作，需要在单片机的RESET引脚上施加5ms的高电平信号。
单片机的复位电路有两种形式：
上电复位和按钮复位。
如图3-3所示，此电路包含了以上两种形式。
上电复位是利用电容的充电来实现的，由于电容两端电压不能突变，上电瞬间RESET端的点位与Vcc相同，随着电容上储能增加，电容电压也增大，充电电流减少，RESET端的电位逐渐下降。
这样在RESET端就会形成一个脉冲电压，调节电容和电阻的大小来改变脉冲电压的宽度。
通常采用10μF的电解电容和1kΩ的电阻。
按键复位电路是通过按下复位按钮时，电源对RESET端维持两个机器周期的高电平来实现复位的。
[10]
三.1.2输入设备—键盘
键盘是计算机不可缺少的输入设备，是实现人际对话的纽带。
键盘可以分为：
独立键盘和矩阵键盘两种。
独立键盘与单片机连接时，每一个按键都要占用单片机的一个I/O口，由于本系统需要较多按键，使用独立按键就需要占用过多的I/O口资源。
单片机的I/O口资源往往比较宝贵，当用到多个按键时，往往采用矩阵式键盘。
本系统采用4×
4矩阵键盘。
矩阵键盘电路如图3-4，将16个按键排成4行、4列，第一行将每个按键的一端连接在一起构成行线，第一列将每个按键的另一端接到一起构成列线，这样就一共有8根线，我们将这8根线连接到单片机的8个I/O口上，通过程序扫描键盘可检测16个键。
图3-4矩阵键盘电路图
无论是独立键盘还是矩阵键盘，单片机检测其是否被按下的依据都是一样的，也就是检测与该键对应的I/O口是否为低电平。
独立键盘有一端固定为低电平，单片机写程序时检测比较方便。
而矩阵键盘两端都与单片机I/O口相连，因此检测时需要人为通过单片机I/O口送出低电平。
检测时，先送一列为低电平，其余几列全为高电平，然后立即轮流检测一次各行是否有低电平，若检测到某一行为低电平，则我们可以确认当前被按下的键值，用同样的方法轮流送各列一次低电平，在轮流检测一次各行是否变为低电平，这样即可检测完所有的按键，当有键被按下时便可判断出按下的键值。
这就是矩阵键盘检测的原理和方法。
三.1.3输出设备—1602液晶显示
一个单片机应用系统中，显示是人机通道的重要组成部分。
显示器是计算机用来显示数据和结果的必要设备。
目前广泛使用的显示器件主要有LED数码管、LCD液晶。
LED数码管其特点是工作电压低，清晰悦目，体积小，寿命长，工作可靠，颜色丰富，响应速度快等，但其只能显示阿拉伯数字和少量字符，不能完成本系统显示要求。
同时数码管需要动态扫描，占用大量CPU资源，实践中很容易造成时序混乱。
LCD液晶显示器是利用液态晶体的光学特性来工作的。
它具有工作电压低、耗电省，成本低等优点。
缺点是远距离显示不够清晰，工作温度范围较窄。
本系统显示只需要近距离观看，同时工作在室温，可以忽略其缺点。
液晶显示还有一个突出有点，占用I/O口较少，内部含有存储器，不需要占用大量CPU资源去维持显示。
本系统采用1602液晶显示器，每行显示16个字符，可以显示两行。
能够很好完成本系统的显示任务。
1602液晶显示器为5V电压驱动，带背光，内含128个字符的ASCII字符集库，只有并行接口，没有串行接口。
其连接电路如图3-5所示。
图3-51602液晶显示与单片机接口
三.1.4A/D和D/A转换器
1、A/D转换器
本系统在进行系统输出有效值检测时，需要将模拟量通过A/D转换器转换成数字量，通过输入通道传送给单片机。
为了提高测量精度，本系统采用12位A/D转换器MAX197，单5V电源供电，8通道模拟量输入。
MAX197内部有一控制器，通过输入控制字可以决定工作模式：
时钟工作模式、输入电压极性和量程选择、模拟量输入通道选择。
如图3-6为MAX197的典型接法。
由于MAX197是12位A/D转换器，本来需要12根数据线。
为了减少I/O资源的占用，采用8根数据线分时复用，先传送低四位数据D3～D0，再传送高八位数据D11～D4。
这种设计巧妙的减少了I/O资源的使用，程序设计上只要按照时序说明，就可顺利采集到数据。
[11]
图3-6MAX197典型接法
2、D/A转换器
本系统要求进行增益可控，为了实现这一功能，采用可控增益放大器AD603来实现增益可控。
通过改变AD603的1、2管脚间的参考电压进而放大器的增益。
这个参考电压需要通过单片机控制D/A转换器产生。
为了提高控制精度，本系统采用12位D/A转换器DAC667来实现增益可控。
DAC667内部含有精密电压基准，微计算机接口逻辑，双缓冲锁存和一个带有电压输出放大器的D/A转换器。
高速电流开关和激光微调薄膜电阻网络保证D/A转换器的高精度和高速度。
DAC667采用双电源±
12V～±
15V供电，低功耗。
[12]
DAC667同样采用数据线复用，分时传送的方法。
如图3-7所示，采用4位I/O传送方式，通过改变控制端A3～A0电平，进行数据的分时传送，先传送低四位，再传送中四位，最后传送高四位，大大减少了I/O资源的使用。
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