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全国电子设计大赛获奖论文
题目名称：
宽带直流放大器（C题）
广东工业大学物理与光电工程学院参赛队员：
陆文贤温俊钟灵辉
摘要：
本设计利用可编程增益宽带放大器THS7002来实现增益的主控制，通过模拟开关配合运算放大器微调减小增益调节的步进间隔和提高准确度。
输入部分采用THS7002内部的前置放大器作为输入级提高输入阻抗，并且避免了独立前置运放PCB布线引入的噪声，提高了系统的精确度和稳定性。
功率输出部分采用分立元件制作，降低了成本。
设计并制作了满足放大器的直流稳压电源，整个系统的3dB通频带0~10MHz，最大增益66dB。
增益步进6dB。
不失真输出电压有效值4V。
关键词：
THS7002；可编程增益放大器；宽带直流放大器
1系统方案1
1.1比较与选择1
1.2方案描述2
2理论分析与计算3
2.1带宽增益积3
2.2通频带内增益起伏控制3
2.3线性相位3
2.4抑制直流零点漂移4
2.5放大器稳定性4
3电路与程序设计4
3.1输入缓冲和增益控制部分电路设计4
3.2带宽预置电路的设计5
3.3功率输出级5
4测试方案与测试结果6
4.1测试设备及测试条件6
4.2最大电压增益测试6
4.3最大输出电压正弦波有效值测试6
4.4测试结果分析7
5结论7
附录：
7
附1：
元器件明细表：
7
附2：
仪器设备清单8
附3：
电路图图纸8
1系统方案
1.1比较与选择
方案一基于DAC的可编程增益放大器，原理框图如图1所示，
图1基于DAC的宽带增益放大器
在运放的反馈回路中使用DAC，并通过数字控制调整增益。
DAC的控制字根据其参考电压Vref决定其输出电压的衰减系数。
理论上讲，只要D/A的速度够快、精度够高就可以实现很宽范围的精密增益调节。
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，带宽会随着增益的减小而减小。
方案二基于VCA的可编程增益放大器，使用控制电压与增益成线性关系的压控增益放大器VCA，用控制电压和增益（dB）成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制，如图2所示。
这种方法能实现比较高的可调级数，适合于负载经常变化需要闭环控制方面的应用。
但是，由于D/A和A/D的量化误差和系统噪声方面的原因，使得每一级的输出精度都不能很高，而且受环境温度的影响较大。
图2基于VCA的宽带增益放大器
方案三基于PGA的可编程增益放大器，使用软件可编程增益放大器，直接通过单片机控制可编程增益放大器PGA，由于PGA的放大倍数是在制造芯片的时候，通过激光微调的方法来调节好的。
所以，每级的输出都能达到非常高的精度，而且受环境温度影响很小。
非常适合于负载确定的应用场合，而且电路结构简单，稳定性很高，具有很高的性价比。
具体如图3所示。
图3基于PGA的宽带放大器
综上所述，由于负载是确定的，而且要求降低放大器的制作成本，兼顾稳定性和精确度方面的要求，我们选用方案三。
采用可编程增益放大器THS7002作为增益控制。
1.2方案描述
信号直接经过THS7002内置的前置运放输入到THS7002内，然后经过THS7002内部的两级PGA进行放大，再通过带宽预置电路实现5MHz和10MHz带宽的预置，最后通过功率输出级实现功率的放大。
放大器的放大倍数、预置带宽等信息可以通过LCD显示器来显示。
图4总体设计框架图
2理论分析与计算
2.1带宽增益积
选用电压反馈型运算放大器时，必须根据系统的带宽和增益要求来选用合适的运放。
系统要求的最大增益为60dB（1000倍），3dB带宽为10MHz。
得到增益带宽积GBW=1000x10MHz=10G，如此高的增益带宽必须通过多级运放来实现。
THS7002的前置运放是电压反馈型的放大器，其3dB增益带宽为100MHz，由于作为输入级，为了兼顾稳定性，选择放大倍数G=2，带宽为50MHz。
2.2通频带内增益起伏控制
通频带内的增益起伏主要是由于电路的寄生电容和其它杂散参数产生的。
为了使得系统有精确的放大倍数，因此抗干扰措施必须要做得很好才能避免增益的起伏。
我们采用下述方法控制通频带内的增益：
（1）选用0.1dB带宽大于10MHz的运放。
THS7002输出5V峰峰值时，0.1dB带宽仍然大于10MHz，性能非常优越；
（2）要非常小心电路的PCB电路的布板。
特别是输入级前置运放的反相输入端的寄生电容，必须把其引脚下的敷铜去除；
（3）所有信号耦合用电解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频增益下降；
（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连接。
（5）数模隔离。
数字部分和模拟部分之间除了电源隔离之外，还将各控制信号用电感隔离；
实践证明,电路的通频带内增益起伏控制措施比较好，在1kHz～18MHz的通频带范围内增益起伏小于0.1dB。
2.3线性相位
系统对不同频率成分的信号响应产生的延时有可能不同,一旦发生这样的情况,信号将发生失真,而能够避免不同频率分量延时差别的系统称为线性相位系统。
所谓线性相位，就是系统的相频特性必须为线性。
不同频率信号通过系统所产生的相位延迟（超前）为，为了确保信号无相位失真就必须保证各频率信号相位延迟成比例，也就是说各频率信号通过系统的时间必须相同。
本系统在输入不同频率信号的情况下，能够确保各种频率信号输出的相位延迟成比例。
最终达到信号无相位失真要求。
2.4抑制直流零点漂移
零点漂移是指当放大电路输入信号为零时，由于受温度变化，电源电压不稳等因素的影响，使静态工作点发生变化，并被逐级放大和传输，导致电路输出端电压偏离原固定值而上下漂动的现象。
抑制零点漂移的措施有精选元件、对元件进行老化处理，选择高稳定性电源及稳定静态工作点。
在实际电路中常采用补偿和调制两种手段，以达到减小温度对器件影响的目的。
我们选用分立元件搭建了互补推挽功率输出级，由于晶体管参数的不一致性，将导致功率输出级静态输出电压为一个非零的值，即直流零点漂移。
因此，必须把零点的漂移控制在一个比较小的值上面。
这里我们为功率输出级添加微调电阻，通过细心调节，使直流零点漂移达到一个很小的值。
2.5放大器稳定性
放大器稳定性的标准是：
在环路增益Aβ=1（0dB）时的截止频率fcl上，相移<±180°，且所需相位余量（离±180°相移的距离）≥45°。
由于本系统级连的运放级数较多，相位便宜较大，适当在反馈回路增加补偿电容，以防止偏移过大而产生自激振荡。
同时，在运放输出端串联小电阻，使得噪声系数幅频特性产生另一个极点。
3电路与程序设计
3.1输入缓冲和增益控制部分电路设计
我们选用THS7002可编程增益放大器作为增益的主控电路，芯片的内部示意图如图5所示。
图5THS7002芯片的内部示意图
输入缓冲和增益控制电路，如图6所示。
由于THS7002的PGA输入电阻只有270Ω，要减小输入电阻对信号源的要求，必须加入输入缓冲部分用以提高输入阻抗；另外前级电路对整个电路的噪声影响非常大，必须尽量减少噪声。
故采用THS7002内部前置的高速低噪声电压反馈型运放作为输入缓冲运放，这样既减少了使用外置缓冲运放PCB布线引入的噪声和干扰，又节约了成本和空间，增加了系统的稳定性。
输入端口J6由同轴电缆连接，减少微弱高频信号的衰减。
图6输入缓冲和增益控制部分电路
3.2带宽预置电路的设计
为了得到性能较好的带宽预置电路，我们选用4阶巴特沃斯有源滤波电路通过继电器来实现5MHz和10MHz预置带宽的切换，电路如图7所示。
图74阶巴特沃思有源低通滤波器
3.3功率输出级
功率输出级电路如图8所示。
我们使用分立元件搭建了功率输出级电路。
带宽达了20MHz，同时降低了成本，使系统的性价比比较高。
图8功率输出级电路
4测试方案与测试结果
4.1测试设备及测试条件
测试设备详见附录2，测试环境温度26℃。
4.2最大电压增益测试
测试条件V=±15V,Vinp-p=3mV，RL=50Ω
表1放大器性能测试
Uo（24dB）
Uo（42dB）
Uo（60dB）
输入信号频率
理论值
实测值
误差
理论值
实测值
误差
理论值
实测值
误差
10KHz
48mV
47mV
1mV
378mV
376mV
2mV
3V
2.99
10mV
100KHz
48mV
47mV
1mV
378mV
371mV
7mV
3V
2.96
40mV
1MHz
48mV
46mV
2mV
378mV
369mV
9mV
3V
2.92
80mV
10MHz
48mV
44mV
4mV
378mV
366mV
12mV
3V
2.89
110mV
经过对测试数据分析得出结论：
放大器部分电压增益60dB，增益6dB步进可调，通频带超过了10MHz，电压增益误差在2%以内，放大器最大增益部分不仅完成了题目的基本要求，并且完成了发挥部分的要求。
4.3最大输出电压正弦波有效值测试
测试条件V=±15V,f=1MHz，RL=50Ω
Uo（24dB）
Uo（42dB）
Uo（60dB）
输入信号峰峰值
理论值
实测值
误差
理论值
实测值
误差
理论值
实测值
误差
5mV
79mV
72mV
7mV
629mV
615mV
14mV
5V
4.9V
0.1V
10mV
158mV
152mV
6mV
1.26V
1.23V
30mV
10V
6.8V
3.2V
15mV
238mV
232mV
6mV
1.89V
1.87V
20mV
15V
6.9V
8.1V
20mV
316mV
313mV
3mV
2.52V
2.51V
10mV
20V
7.0V
13V
经过对测试数据分析得出结论：
最大输出电压正弦波有效值在7V左右，在最大输出电压有效值内，输出的误差很小。
4.4测试结果分析
经过测试，各项性能指标均到达了基本要求，而且完成大部分发挥要求。
但是，输出电压无法达到10V的有效值，主要是晶体管的增益带宽和功率的限制，由于时间仓促，难以购买到合适的功率放大对管，所以阻碍了系统性能的提升。
5结论
系统架构设计合理，性价比较高，最大增益达66dB，最小输入电压峰峰值达2mV，电压的稳定度高，某些指标到达或超过了题目的要求。
参考文献：
[1]WaltJung．运算放大器应用技术手册[M]．北京：
人民邮电出版社，2009．
[2]华成英，童诗白．模拟电子技术基础[M]．北京：
高等教育出版社，2007．
[3]松井邦彦．OP放大器应用技巧100例[M]．北京：
科学出版社，2006．
附录：
附1：
元器件明细表：
THS7002
ATMEGA64
OPA2652
2SA1930
2SC5171
彩屏液晶
附2：
仪器设备清单
20M信号发生器F20
数字万用表VC890D
60M数字示波器TDS1002B-SC
SUINGTFG3080LDDS数字信号发生器
20M模拟示波器日立V-252
附3：
电路图图纸
电源电路
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