第4组电压控制增益可变放大器设计VGA设计DOCWord下载.docx

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UsingFPGAascontrolcore,anewmethodofdesigningaprogrammablegainamplifierwhichcanhandlewiththesignalthathasthefrequencymorethen15MHz,andtheamplitudelessthen1Vbyusingvolt-controllinggainamplifierVCA822ispresentedasfollowing.Theamplifiercanbemodulatedfrom10dBto58dB,withthefunctionofautomaticallycontrollinggain.Theoutputsideofthisamplifieradoptsthepush-pullcircuitconstructedbywidebandamplifierAD811anddiscretecomponents,andenforcesitsabilityofdrivingloads.

Keywords:

widebandamplifier;

VCA822;

controlofgain;

push-pullcircuit

1、系统方案比较与设计

1.1总体方案论证

分析VGA放大器设计要求的指标，增益调节范围为17～58dB，带宽大于等于15MH，控制电压Vg=-1V～+1V，Ri>

10MΩ；

当接50Ω的负载，要求Vop≥10V。

针对上述特点，我们将整个放大器分为三个模块：

前置缓冲级，增益可调的中间放大级，末级功率放大级。

系统整体框图如图1所示。

其中难点是增益可调放大级和末级功率放大级，下面对这两个部分的方案分别进行设计论证。

图1、系统整体框图

1.2主放大器选择

方案一：

采用分立元件设计。

此方案元器件成本低，但设计复杂度较大，并且由于受到众多寄生元件的影响，调试工程复杂且周期长，频率高时更突出。

方案二：

采用高速宽带集成运放组成多级运放电路。

应用多级运放可以得到很大的增益，并且对单个运放的性能要求较低，系统总增益等于各运放增益的和，可以将信号放大和功率放大分开处理；

带宽也比较好控制，可以选择多种耦合方式，充分的发挥出电路的性能；

电路结构也比较简单，性价比也比较高。

方案选择：

由于题目要求的增益带宽积很大，性能要求比较高，所以选择方案二采用多级运放电路。

1.3中间放大级方案论证

采用三极管构成多级放大电路

若用分立元件构成58dB放大器，则须采用三极管构成的多级放大器。

此方案选材方便、成本较低。

但是选择合适的三极管配对组合费时费力，并且题目给出的指标较高，三级管构成的多级放大器容易引起更多的干扰，影响放大质量。

此外，晶体管构成的多级放大电路不易实现大范围的增益连续可调，这是相比于集成运算放大器的又一大缺点。

采用带宽增益积大的运算放大器制作多级放大电路。

以OPA842和OP37为例，利用OPA842带宽增益积大的特点，使输入的小信号充分放大，再用轨对轨运放TLV2462放大至有效值10V。

这种方法采用电位器或者数字电位器连续调节放大倍数，设计简洁，但是要求-1～1V电压控制，难以实现。

方案三：

采用集成宽带的可调增益放大器。

题目要求-1～1V电压控制，我们选择了宽带可控增益放大器VCA822，最大工作频带宽度可达150MHz，放大器增益由控制电压和外围电阻阻值共同决定，可以很好的满足需求。

并且，VCA822采用电压控制放大，能够方便的通过单片机配合DAC控制。

比较上述三种方案：

方案一调整增益不便，方案二的难以实现题目要求的压控，方案三能够很好的满足要求，最终选择方案三。

1.4末级功率放大器方案论证

若采用分立元件，使用大功率、高速三极管推挽输出可以提高放大器的输出功率，驱动能力较强。

但这种电路温度漂移严重，低频及直流时会严重影响输出效果。

并且元器件较多，布线与调试繁琐、抗干扰能力较差。

采用集成功率放大芯片，如AN7115。

这种方法简洁，调节方便。

但是集成功放一般用于音频放大，无法满足宽带要求。

采用运放配合三极管实现。

使用电流反馈型运放AD811和三极管2N3904和2N3906构成甲乙类互补对称功放电路，加入适当的反馈，即可提供大的电压增益和电流增益，从而达到宽带功放的目的。

比较上述三种方式：

使用分立元件有其优势，但是调试困难，低频响应与稳定性之间有矛盾，不适合作直流放大；

集成功率放大器难以满足宽带放大要求；

使用电压反馈型运放OPA642芯片配合三极管可以方便的实现了上述功能。

最终选择方案三。

2、理论分析与计算

下面结合宽带放大器的各项指标，主要包括带宽增益，输出电压幅值，稳定性，线性相位分析4个方面，进行简要的理论分析计算，同时确定电路设计所需要的元器件。

2.1带宽增益积分析

由于多级放大电路的通频带比组成它的每一级的通频带窄，所以在芯片选型和电路设计中要分析带宽增益积，合理地配置各级的增益和带宽。

主要指标分配为：

（1）前置缓冲器：

阻抗匹配，信号衰减一倍；

AD818同向放大两倍，最终增益为0dB，带宽>

130MHz；

（2）中间放大级：

-1～1V电压控制VCA822增益-20～20dB，带宽>

60MHz；

OPA699增益等于29dB，带宽>

33MHz；

VCA822和OPA699都要进行阻抗匹配，信号衰减2倍；

最终增益-2～37dB。

（3）末级放大级：

增益>

20dB，带宽>

20MHz。

这样设计的宽带放大器增益范围大于17～57dB，频带宽度大于15MHz。

2.2输出电压幅值

在0～15MHz的通频带内，要求负载RL=50Ω，VOP≥10V。

（1）经计算得功率≥5W所以负载电阻需要大功率的水泥电阻。

（2）输出电流≥2A，所以放大电路之后需要加一个功率放大电路。

2.3放大器稳定性分析

由于采用三级放大器级联的方式，为了减少高频自激和消振困难，电路布线尽可能短，还要注意阻抗匹配；

同时，为了消除内阻引起的寄生震荡，还要在运放电源端就近接去耦电容。

3、单元电路设计

3.1前级缓冲电路

图2、前级缓冲电路图

前级输入信号由示波器提供，其中，示波器的有51

的内阻，所以需要进行阻抗匹配，匹配信号源和传输线之间的阻抗，减少反射，避免振荡，通过电阻分压将信号衰减一半。

AD818进行同相放大，增益：

=1+

/

=2

最终使得

3.2增益可调的中间放大级

图3、增益可调的中间放大级电路

中级放大器使用一片VCA811和一片OP699实现。

宽带可控增益放大器VCA822，在控制电压的作用下，可实现精确的增益，且按

线性变化。

其基本增益：

其中

是-1~1V的控制电压，可以通过单片机通过AD转换控制输入，本课题直接通过电阻分压，通过调节定位器控制输入。

VCA822后面接入OPA699，OPA699为高增益、高摆率宽带运放，其工作带宽可达到1000MHz，采用该器件设计增益G为30的放大器，完全满足带宽为15MHz的要求。

3.3末级功率放大

图4、末级功率放大

为了增加系统的带负载能力，考虑到运算放大器AD811自身负载驱动的限制，这里选用AD811配合高频中小型功率三极管2N3904（NPN型）和2N3906（PNP型）（两功率管特征频率

）OCL功率放大器。

前级由AD811组成反向相放大器：

=

=6.5

反向放大不需要进行阻抗匹配，可以避免增益的衰减。

4、系统测试

3.1测试方法

1、频率不变，通过改变输入信号的大小，测量输出并记录数据，绘制增益控制特性曲线。

2、输入信号不变，频率的大小，测量输出并记录数据，测试放大器的频率响应特性。

3.2测试步骤

1、从前级缓冲、中级放大、末级功放一级一级地检查地测量电路。

2、每一级检查无误后开始连调。

3、频率不变，通过改变输入信号的大小，用示波器测量输出并记录数据。

4、输入信号不变，频率的大小，用示波器测量输出并记录数据。

3.3所用仪器设备

电源：

直流稳压电源YB1732A/3AYB1732A/3A

信号源：

数字信号发生器SPF20ASPF20A

波形测量：

数字双踪示波器SDS1102CFLSDS1102CFL

3.4数据记录

5、结论

6、参考文献

[1]代万辉，陈松方，全国电子设计大赛培训宝典[M]，北京：

北京航空航天大学出版社，2012

[2]康华光,陈大钦，张林，模拟电子技术基础,[M]，北京，高等教育出版社，2006

7、附录

附录一：

系统总图

附录二：

元器件清单

AD8181片

VCA8221片

OPA6991片

电阻、电容、接插件、导线若干