通用可变增益放大器.docx

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通用可变增益放大器

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加密号：

加密号：

学校编号：

NEFU-B-001

学校名称：

东北林业大学

队员姓名：

姚金龙连建君谭婷

赛点负责人：

教务处章：

2008年8月17日

通用可变增益放大器（B题）

摘要

本着简单、准确、可靠、通用的原则，采用了分级设计匹配互连的思想。

本放大器系统分为前级放大部分、增益放大与控制电路部分、档位控制部分、后级稳压输出部分四部分。

全系统采用单一的模拟电路方式，通过前级放大部分获得所需输入电压、输入阻抗等重要参数；通过拨码开关连接的反馈电阻进行精密全局控制，获得20dB至40dB之间分辨力不低于0.1%的可变增益范围；通过档位控制部分电路实现四个档位增益值转换，在衰减电路的作用下得到三个档位的增益值，即—20dB至0、0至20dB、20dB至40dB；最后通过后级稳压输出部分获得输出幅度不低于±8V的输出电压，此部分电路包括抑制零点漂移的调零电路。

通过验证，本系统可以对输出电压数值的漂移，零点漂移等不良影响进行有效地抑制和降低。

通过全面的调试和测量，使得本系统基本满足题目的基本部分和发挥部分的要求并融入了自己的创新思想，设计出了一个可控范围大、输出幅度高、稳定性好、抗干扰能力强、幅频特性好的通用可变增益放大器。

摘要………………………………………………………………………………………………2

目录………………………………………………………………………………………………3

一、方案论证与比较……………………………………………………………………………4

1、前级放大部分…………………………………………………………………………4

2、增益放大与衰减控制电路……………………………………………………………4

3、后级电压输出…………………………………………………………………………5

二、系统设计……………………………………………………………………………………5

1、总体设计思路…………………………………………………………………………5

2、主要电路原理分析与计算……………………………………………………………6

2．1、前级放大电路…………………………………………………………………6

2．2、增益放大与控制电路…………………………………………………………6

2．3、档位控制电路…………………………………………………………………7

2．4、电压输出电路…………………………………………………………………7

三、系统测试方法与测试数据…………………………………………………………………8

1、测试仪器…………………………………………………………………………………8

2、测试方法与测试数据……………………………………………………………………8

2．1、测前级放大电路…………………………………………………………………8

2．2、测增益放大与控制电路…………………………………………………………8

2．3、各级电路调节好后，进行测量和详细记录……………………………………8

3、测试结果分析……………………………………………………………………………9

3．1、测试结果分析…………………………………………………………………9

3．2、误差分析………………………………………………………………………9

3．3、测试心得……………………………………………………………………10

四、总结…………………………………………………………………………………………10

一、方案论证与比较

1、前级放大部分

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，硬件电路连接与制作困难，在大赛规定的时间内很难保证作品的可靠性和指标，因此不予采用。

方案二：

采用集成运放设计。

此方案用可编程放大器芯片级联而成，电路简单，调试容易，指标和可靠性容易保证，因为OP37的幅频特性差，当放大倍数大于3时波形失真严重，THS3001的输入阻抗过低，经过多方面特性和通用性的比较与实际检测，选用高速宽带集成芯片OPA637可以满足此次放大器的设计要求，因此采用此方案。

2、增益放大与衰减控制电路

方案一：

采用可编程放大器实现。

此方案用单片机控制继电器，继电器控制相应的反馈电阻，四个档位，分辨力不低于0.1%，这对于单片机编程控制要求很高，而目前的编程能力有限，因此不予采用。

方案二：

采用可编程控制放大器和衰减电路实现。

此方案用单片机控制最后一档即100—1000，得到0.1%的分辨力，用单片机的P口的高低电平控制继电器，因为各个档位之间是十倍的对应关系，所以将可编程放大器芯片输出的信号接衰减电路，用拨码开关接通相应的衰减电阻，得到四个档位的增益变化，同时接有调零电路，很好的抑制了零点漂移，硬件电路连接方便，软件编程容易实现，电路图如图—1所示，但是经过调试发现单片机的接入对整个放大器电路的干扰特别大，为保证稳定性和可靠性，决定放弃此套方案，不予采用。

图—1程控增益放大与控制电路

方案三：

采用拨码开关实现。

此方案用OPA637放大器芯片实现电压放大，方式为同相运算电路，放大电路的反馈为十个不同阻值的电阻串联而成，电阻由拨码开关控制，按照二进制的方式将十个电阻进行组合接入电路，得到在10—100内分辨力为0.1%的放大倍数，因为各个档位之间是十倍的对应关系，所以将放大器芯片输出的信号接衰减电路，用拨码开关接通相应的衰减电阻，得到四个档位的增益变化，同时接有调零电路，很好的抑制了零点漂移，硬件电路连接与制作简单，而且不会造成很大干扰，指标和可靠性容易保证，经过慎重考虑决定采用此方案。

3、后级电压输出

方案一：

采用分离元件实现。

为保证高频端放大器的稳定性和带内幅度的平坦度，电压放大输出模块采用分立元器件构成的互补推挽和深度电压串联负反馈电路形式，得到较高的输出电压范围和相应的输出阻抗，分离元件的物理特性容易满足，性能比较稳定，连接电路图如图—2所示，但是经过试验调试，此方案与前级放大器级联会使波形产生严重的失真，因此不予采用。

图—2后级电压输出电路图

方案二：

采用集成芯片实现。

根据题目要求，放大器输出阻抗可开关设置为50Ω或0，所以在后级输出部分级联一个电压跟随器，通过比较，AD817相比于OPA637能更好的满足题目的要求，因此采用此方案。

二、系统设计

1、总体设计思路

图—3系统总体框图

根据题目的要求，结合考虑过的各种方案，充分发挥其优势，采用拨码开关预置和控制放大器增益的方法，大大提高了系统的精度和可控性；系统前端增益放大部分需设一级OPA637程控增益放大器，实现输入阻抗变换和增益放大，同时接入了过压保护电路；根据增益步进的要求，需要采用拨码开关按照二进制方式控制增益值，再通过衰减电路获得三个档位增益，根据输出电压幅度和输出阻抗的要求，后级电压输出采用AD817连成电压跟随器的方式，于是系统总体设计方案如图

—3所示。

输入信号通过转换开关获得大于10M或50的输入阻抗，并连接过压保护功能电路，前级放大电路运用OPA637芯片获得高性能的放大信号，此时的放大倍数为10倍，中间级芯片的反馈是由拨码开关控制的电阻构成，控制电路的放大倍数为1—10，通过二进制的方式获得0.1%的步进增益值，以满足题目要求，输出的信号再经过由拨码开关控制的衰减电路，获得三个不同档位增益，最后再由放大器芯片组成的稳压输出电路获得高输出幅值和所需输出阻抗，其中含有抑制零点漂移的调零电路，再运用衰减控制电路得到其它档位增益值，整体电路成本低，电路工艺简单而独特。

2、主要电路原理分析与计算

2．1、前级放大电路

本部分运用一片OPA637集成芯片级联而成，为满足输入阻抗可开关设置为大于10MΩ或50Ω，将50Ω的电阻用开关控制接入电路，因为OPA637是由高阻抗的CMOS管构成，所以用一个OPA637可以获得高阻抗，并连有两个二极管构成过压保护电路，电路图如图—4所示。

图—4十倍增益放大电路

放大倍数计算：

已知A=1+Rf/R0，Rf=9kΩ，R0=1kΩ，可以计算出A=10。

当接R1时，有A=12.25。

2．2、增益放大与控制电路

本部分电路由OPA637放大器构成的集成运放电路。

此处的运放得到的增益范围是1—10，集成运放的反馈部分由拨码开关接有十个电阻，采用二进制计数的方式进行组合得到0.1%的步进增益值，因此只需计算出第一个电阻值就可以知道其它阻值了，如需要接通Rn（n=0~9），则将对应的开关断开即将对应电阻接入电路反馈端，如要得到1.009的增益，由A=1+R1/R0，R0=1KΩ，计算得到R1=9Ω，由二进制的特点可以算出R2=2R1=18Ω，……，R10=2R9=4608Ω，放大倍数为An=1+Rn/R0，得到n=（An-1）*100，再将n值转换成二进制值对应到开关和电阻，表—1例举了几个典型的增益电阻组合（其中“1”对应位的电阻接入电路作为负载）。

电路图如图—5所示。

图—5增益放大与控制电路

表—1增益电阻组合表

G=1

0000000000

G=6

0111110100

G=2

0001100100

G=7

1001011000

G=3

0011001000

G=8

1010111100

G=4

010*******

G=9

1100100000

G=5

0110010000

G=10

1110000100

2．3、档位控制电路

档位衰减控制电路采用电阻串联的形式连接拨码开关，电路如图—6所示，开关控制增益的三个档位范围，不衰减时输出值第三档最大是100，第二档最大是10，第一档最大是1，R1/（R1+R2+R3+R4）=（100-10）/10，（R1+R2）/（R1+R2+R3+R4）=（100-1）/1，（R1+R2+R3）/（R1+R2+R3+R4）=（100-0.1）/0.1，令R3=510Ω，则可以计算出R1=51KΩ，R2=5.1KΩ，R4=56.7Ω。

图—6档位控制电路图

2．4、电压输出电路

图—7电压输出电路

为了保证放大器在低频及直流最大不失真输入的情况下获得较高的输出幅值，在高增益宽带宽的前提下控制输出信号幅度的波动范围，较小输出波形的失真度，电压放大电路部分采用AD817的电压跟随器的电路形式，得到较高较稳的输出电压幅值和相应的输出阻抗，同时接有由分离元件构成的调零电路，具体电路如图

—7所示，经过精确计算得到各个电阻值，具体计算如下：

U1-U2=ΔU

U1（1/R1+1/R2+1/Rw）-U2/Rw=15/R1

U2（1/R1+1/R2+1/Rw）-U1/Rw=-15/R1

R1=1K，R2=5K

可以得到Rw=100Ω.

三、系统测试方法与测试数据

1、测试仪器

表—2测试仪器

仪器名称

型号规格

双踪示波器

TDS2002/60MHz/1GS/s

标准高频信号发生器

QF1055A

直流信号源

EM1715

万用表

MY-65

2、测试方法与测试数据

2．1、测前级放大电路。

在直流电压下调节反馈电路中的电位器，使放大倍数为10。

2．2、测增益放大与控制电路。

通过设置拨码开关，调节负载电阻串联的电位器，使负载阻值尽可能等于理论值。

同理，调节衰减电路中的电位器。

2．3、各级电路调节好后，进行测量和详细记录。

具体数据如表—2和表—3所示。

表—3基本部分测试数据

信号输入输出范围。

采用直流信号作为输入，将电压由0逐渐增大

输入信号幅度Ui=0~8

输出信号幅度Uo=10

增益线性度

直流信号

每一档位采用

5点测试

Ui=2V

G=0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

Uo=

Ui=0.2V

线性度0.9%

G=2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

Uo=0.409

0.812

1.210

1.601

1.981

Ui=0.2V

线性度1%

G=20

40

60

80

100

Uo=0.430

0.808

1.208

1.668

2.020

信号带宽，

输入正弦波信号Vp=20mV，

放大100倍

Fin=200kHz

Uo1=2.76V

幅度波动1.156%

Fin=400kHz

Uo2=2.76V

Fin=600kHz

Uo3=2.76V

Fin=800kHz

Uo4=2.76V

Fin=1MHz

Uo5=2.80V

零点误差

输入短路，G=100

Uo=0.001V

增益变化范围

直流信号输入

增益设定范围

0~100

增益分辨力

1%

输入输出阻抗

有无过压保护

输入阻抗Rin>=10MΩ

有

输入阻抗Rin=50Ω

有

输出阻抗Rout=0Ω

有

输出阻抗Rout=50Ω

有

有无过压保护

有

表—4发挥部分测试数据

信号输入输出范围，采用直流信号输入，将输入电压逐渐升高

输入信号幅度Ui=8

输出信号幅度Uo=10

增益变化范围

增益设定范围0—100

分辨力0.1%

波形失真度测试，共测试四个频点

Fin=1MHz

D1=1.80%

Fin=4MHz

D2=1.95%

Fin=7MHz

D3=2.1%

电路成本、工艺

本电路采用小型玻璃盒双层组装，工艺制作巧妙简单，而且元器件数量少，价格低廉

特色与创新

本电路完全采用模拟电路的形式，运用数字电路的思想达到所要求的增益范围

3、测试结果分析

3．1测试结果分析

增益：

—20dB~40dB（分辨力为0.1%）；

通频带宽：

0~7MHz

3．2误差分析

由于人为读数存在误差，测量仪器不精准、周围环境如磁场、温度等一系列因素的影响，测量的数据并不能理想的达到理论计算值，但是我们通过多次测量取平均值把误差降低到最小，整个电路系统由手工制作完成，无法实现严格的阻抗匹配，布线无法避免线路之间以及外界磁场的干扰，干扰抑制还有待提高，但是基本可以满足题目的要求。

3．3测试心得

在这次制作放大器并不断调试的过程中，我们充分了解了测试过程中应注意的问题，需要极高的耐性和极强的观察分析能力，对数据要有很高的敏感度，需要反复测试，得到多组数据，最后取它们的平均值。

四、总结

本系统带宽宽、增益范围大、模拟前端由2块高性能集成带宽宽、低噪声可变增益放大器OPA637级联而成，负责信号放大并与拨码开关配合实现了增益控制；为保证高频端放大器的稳定性和带内幅度的平坦度，电压输出模块则是采用高性能的AD817集成放大器芯片，得到较高的输出电压幅值和相应的输出阻抗；设计与制作中利用分级设计、匹配互连、数模搭配等技术，采用双层PCB板的安装固定，以及合理的走线布局、级间阻抗匹配等措施，有效的减少了噪声和干扰的影响，同时有效提高了系统稳定性。

我们在整个设计制作过程中，始终关注系统的性能指标和运行的稳定性，本着稳定性和精确性并重的原则，我们采取了诸多的有效措施，不断地调试，进行众多方案的比较与试验，完成了设计题目所规定的部分指标和要求，达到基本的性能指标，而且对于有些指标我们的设计还有了一定的的提高，功能也有所扩展。

这次是我们新团队第一合作共同完成一个项目，虽然在过程中有很多的麻烦和困难存在，但是最终我们都一一克服，我们希望在未来的努力中可以更加团结，达到更加完美的地步。

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