宽带直流放大器.docx
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宽带直流放大器
宽带直流放大器（C题）
摘要：
本作品基于可控增益放大器设计，由输入缓冲、可控增益放大器电路、运算放大器电路、功率放大、控制及键盘显示和直流稳压电源六大功能模块组成，具有数字步进及预置增益功能。
各放大器模块采用直接耦合，可达到放大直流信号的目的，采用FPGA上的NIOSII处理器对放大器进行增益控制。
其中输入缓冲AD8055具有高输入阻抗，降低系统引入的噪声和干扰，并且满足输入阻抗大于50Ω的要求，AD603和DA芯片THS5651实现程控步进及预置增益功能，AD818的使用提高了输出电压有效值的范围，功率放大电路提高了负载能力。
放大器所用直流稳压电源采用串联型线性电源，并采用多级滤波，合理PCB布局减少板载电容，减少电源纹波对输入小信号的影响及抑制放大器噪声，提高了系统稳定性。
关键字:
可控增益放大器、宽带、直流、放大
一、系统方案与论证
1.方案比较与选择
（1）直流稳压电源的设计
方案1:
开关稳压电源。
此方案效率高，但电路复杂,开关电源的工作频率通常为几十～几百KHz，基波与很多谐波均在本放大器通频带内，极易带来串扰。
方案2:
线性稳压电源。
有两种方案可以选择：
一种是串联型线性稳压源，电路相对简单，效率高，由稳压芯片输出的电压值比较稳定，完全可以满足系统设计的要求;另一种是并联型线性稳压源，精度比串联型稳压源高，但是电路复杂。
方案论证：
由于本系统对直流稳压电源的低噪声要求很高，并且要输出电压可调，综合比较之后，我们选择既可以满足系统要求，电路又相对简单的方案2中的串联型线性稳压源的设计方案。
（2）可控增益放大单元电路的设计
方案1：
采用可编程放大器的基本思路，即程控衰减方法。
将微弱信号进行固定增益放大，将放大后的信号作为高速D/A的参考电压。
从理论上讲，只要D/A的精度足够高就可以实现很宽范围的高精度增益调节，但是控制量（数字量）和系统增益（dB）不是成线性关系而是成指数关系，可能会影响增益调节精度。
方案2：
采用数字电位器（其阻值由单片机控制）作为运算放大器的负反馈电阻，调整放大器增益，实现程控放大。
还可加电压采集电路而形成闭环增益控制，从而提高增益控制精度，但数字电位器的阻值与增益变化不成线性关系，可能会影响增益调节精度的进一步提高。
方案3：
采用可控增益放大器（PGA）AD603实现程控放大。
AD603可控增益放大器放大特性与输入控制电压具有很好的线性度，可以对控制电压的线性调节来实现增益的线性控制。
方案论证：
若采用方案1的开环增益控制模式，提高增益控制精度则较为困难。
方案2和方案3同属于闭环增益控制模式，都具有较高的增益控制精度，但方案三能获得更高精度的增益控制，并且使用级联便能解决放大增益60dB的要求。
因此，选用方案3。
（3）后级运算放大电路单元的设计
AD603的输出最大电压±3V，不能达到输出电压有效值10V的要求，并且题目要求实现60dB以上的增益调节，所以必须在AD603之后加一级固定放大。
方案1：
采用OP37低噪声、高速运算放大器。
实现信号的放大。
方案2:
采用AD公司高速电流反馈型运算放大器AD818高性能运算放大器。
AD818的最大输出电压可以达到±18V，带宽增益积达到260MHZ能满足系统的要求。
方案论证：
上述两种方案的比较可以看出，为满足增益20db的带宽和最大输出电压，采用AD818可以很好的满足系统要求。
故选择方案2。
（4）抑制直流偏置电压电路的设计
考虑放大器芯片本身造成的直流偏置影响，我们加入了抑制直流偏置模块。
方案1:
在各级的衰减网络公共端接入校正电压，但是对前级的精度要求极高，且实现繁琐困难。
方案2:
使用THS5651数模转换芯片，将直流偏置补偿电压加载到AD818的反相输入端。
方案论证：
考虑到实现的实际效果和实现困难程度，采用方案2实现预制直流零点漂移。
（5）功率放大单元电路的设计
AD818最大输出电流只有50MA,不能达到10V有效值，50Ω负载要求，后级需功率放大才能达到题目要求。
方案1：
采用高频功率管设计。
此方案元器件成本低，易于购置。
但是设计、调试难度太大，周期很长，尤其是短时间内手工制作难以保证可靠性及指标。
方案2：
使用高电流输出的高速缓冲放大器BUF634。
此方案优势是电路容易实现，指标和可靠性容易得到保证。
方案论证：
考虑到时间因素，我们采用实现容易，可靠性强的方案2.
2.系统描述
根据题目的要求，信号首先经过高阻抗输入缓冲，再经过可变增益放大器，通过D/A转换器控制增益放大器的增益控制电压，实现程控放大，然后经过运算放大器的固定放大提高输出电压范围，最后经过高电流输出放大器提高负载能力。
为了消除芯片的本身偏置直流电压，由DA输出补偿电压消除偏置。
系统结构如图1所示。
图1系统整体框图
二、理论分析与计算
为了实现放大直流信号与低频信号的目的，各级放大器采用直接耦合的方式。
前级输入缓冲具有高输入阻抗，降低系统引入的噪声和干扰，可控增益使用AD603顺序级联，能够达到-22-60dB的增益步进放大。
题目要求输出有效值10V，但是AD603的输出电压最大范围±3V，不能达到题目要求，因此要在后级加入固定放大十倍、最大输出范围±18V的高速运算放大器AD818。
为了达到负载50Ω的目的，使用高电流输出的高速缓冲器BUF634进行功率放大。
1.放大器增益控制及精度
依据资料，AD603采用的是增益为-11dB～31dB、带宽90MHz的工作方式，其每级增益为：
（2-1）
其中VG是增益控制电压，0.5是基准电压，Gain是AD603的基本增益,单位是dB。
那么两级603的放大增益为：
（2-2）
AD818的固定放大增益为20dB：
（2-3）
所以系统整体放大增益公式为：
（2-4）
THS5651的分辨力为10位，采用满偏电压1V、差分输出的方式，0~1V实际控制字范围为0x200到0x3ff，结合式，其控制字与增益关系为：
（2-5）
理论增益精度约为0.16dB。
2.通频带及增益带宽积
各级之间采用直接耦合通过方式，可以通过直流分量，其最小频率0hz，根据资料，AD8055与AD818的3dB的增益带宽积分别为300M与260M，Av分别为1和10，其带宽理论达到300M与26M，AD603级联带宽可以达到60M，系统整体带宽理论达到26M，满足题目3dB通频带0~~10M要求。
3.放大器稳定性分析及通频带增益起伏控制
放大器稳定性与通频带增益起伏主要取决与芯片本身性能、电源稳定性及PCB布局，芯片性能与自身工艺、工作温度、电源稳定性等有关。
通过精选芯片，限制各级放大器的单级放大倍数.，对功耗大的芯片添加散热片，保证其性能和稳定性。
（1）电源稳定性分析：
电源输出噪声会对系统的输入信号产生干扰，造成信号失真，为了尽量减小噪声，我们在电源输出端加入LC滤波电路，对电源噪声滤波处理。
（2）AD603稳定性分析：
●容易自激。
电源和地之间需要加去耦电容，各级电源之间加电感线圈隔离。
●对容性负载敏感，易造成自激，当用同轴电缆连接输出时，宜加缓冲器隔离。
●前后级易产生电磁耦合，必要时需用铜屏蔽盒隔离。
●参考电压必须非常稳定。
（3）AD818稳定性分析：
AD818的带宽大小受PCB布局影响较大，在设计版图时，应尽量减少板载电容以增加带宽，电源增加去耦电容，提高稳定性。
4．线性相位分析
各放大器模块直接耦合，模块间理论上不存在延时，存在延时的只有放大器芯片本身。
为了分析系统的相位线性，我们使用仿真软件multisim对其进行仿真，发现系统的延迟时间固定，大小为纳秒级，信号相移与频率成正比，低频相移几乎为零，系统的相频特性线性度良好。
5.直流零点漂移分析
主要误差因素有：
输入失调电压，输入失调电压温漂、，输入偏置电流，输入失调电流，输入失调电流温漂等。
产生零点漂移的原因很多，如电源电压不稳、元器件参数变值、环境温度变化等。
其中最主要的因素是温度的变化。
预制零点漂移的措施，我们采用精选元件、对元件进行老化处理、选用高稳定度电源等措施，在集成电路内部本身便有补偿，通过测试发现在温度没有激烈变化的环境中，温漂对1mV的小输入信号影响不大。
三、电路与程序设计
1.直流稳压电源的设计
根据系统电源要求，我们需要制作输出为+18V、-18V、+5V、-5V的直流稳压电源。
由于题目要求输入电压的有效值小于20mv，所以对电路的纹波要求比较高，因此我们把直流电源设计的重点放在滤波的问题上。
为了避免供电电压地线的串扰，我们采用两路电源分别供电。
然后经过全波整流、电容滤波，将交流转换为直流。
在稳压部分，我们采用的是比7805\7905系列稳定性更好的LM317\LM337稳压芯片。
稳压之后使用数值不等的电容器滤波，提高放大器稳定性。
2.输入缓冲及可控增益放大单元电路的设计
此电路可以由AD603完成。
AD603在宽频带工作模式下，增益控制范围为-11dB～31dB，带宽为90MHz，且控制电压与增益dB数成线性关系，为达到设计目标可用两级级联，两级AD603直接耦合带宽为60MHz，完全满足3dB通频带0～10MHz和增益要求。
AD603为压控增益放大器芯片，为保证其增益线性度，选用分辨率较高的10位DA转换芯片THS5651，通过AD8055进行差分输出，控制两级AD603的增益设置，如图2所示。
3.后级运算放大电路单元的设计
为了满足输出电压幅度的要求，我们在后端使用AD818实现20dB固定放大。
前级增益公式为Gain=80*VG-20,经后级十倍放大修正为Gain=80*VG,单位为dB，实现了信号的固定放大，提高了输出幅度，如图2所示。
图2可控增益放大原理图
4.功率放大电路的设计
为了达到负载50Ω输出有效值10V的目的，在后面加一级输出电流达250MA的高速缓冲器BUF634达到功率放大目的。
如图3所示。
5抑制直流偏置电路的设计
分别测量各放大器的偏置电压，对应增益，使用DA补偿到AD818反相端。
6.控制及键盘显示模块
控制及键盘显示模块使用FPGA芯片、PS2键盘及LCD实现人机界面，运用SOPC技术，嵌入NIOSII控制。
7.程序流程图
软件设计以SOPC集成开发环境NIOSII_IDE为平台,采用液晶显示屏显示系统的各方面参数,程序流程图如图3所示。
图3程序流程图
四、测试方法及测试结果
1.测试条件
室温25°C，220V交流电源。
2.测试仪器
1）示波器：
TektronixTDS100260MHZ1GS/s。
2）信号源：
LYANGYB3015DDS数字合成函数信号发生器。
3.测试方案
采用键盘、信号源与示波器集合静态扫描方式，测试增益特性，保持频率不变（1M），通过PSII键盘设置增益，用示波器观察输出信号波形及幅度；测试频率特性（带宽），保持增益不变，通过改变信号源频率，用示波器观察输出信号波形及幅度。
4.测试结果
1.增益步进测试
使输入信号Vpp保持50mV、输入频率1MHZ、负载50Ω，设置增益步进范围0-40dB，增益步进2dB，测试结果如表1所列。
设置增益步进范围40-60dB，增益步进2dB，测试结果如表2所列。
测试结果分析：
在输入信号Vpp保持50mV测试条件下，在0-10dB范围内，增益误差比较大。
这是由于在0-10dB范围内，后级AD818对信号固定放大10倍，前级AD603要对信号进行衰减。
而AD603对小信号衰减性能较弱，并且小信号受外界干扰较大，造成在0-10dB范围内增益误差较大。
在输入信号幅度Vpp20mV测试条件下，增益误差较小。
较好的满足的题目要求。
2.通频带特性测试
使输入信号Vpp保持50mV，增益40dB,负载50欧，调节信号源频率从0.01HZ至10MHZ变化，测试结果如表3所示。
测试结果分析：
放大器直流特性良好，0~9M信号增益起伏小于0.1dB，3dB通频带达到11M，满足并超出题目要求。
表1增益步进测试数据（50mV）
预置增益（dB）
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
输出幅度（V）
0.06
0.07
0.07
0.08
0.09
0.1
0.11
0.12
0.14
0.15
实际增益（dB）
1.87
2.41
3.41
4.19
5.3
6.19
7
7.75
8.82
9.54
增益误差（%）
141
70.3
39.7
32.4
23.9
16.7
10.7
10.2
6.03
预置增益（dB）
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
输出幅度（V）
0.17
0.21
0.26
0.33
0.42
0.50
0.62
0.8
0.99
1.24
实际增益（dB）
10.5
12.5
14.3
16.4
18.4
19.9
21.9
24.1
26
27.9
增益误差（%）
5.27
3.87
2.29
2.44
2.24
-0.3
-0.3
0.34
-0.2
-0.4
预置增益（dB）
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
输出幅度（V）
0.50
0.62
0.8
0.99
1.24
1.6
2.02
2.54
3.22
4
实际增益（dB）
19.9
21.9
24.1
26
27.9
30.1
32.1
34.1
36.2
38.1
增益误差（%）
-0.3
-0.3
0.34
-0.2
-0.4
0.34
0.4
0.34
0.49
0.16
表2增益步进测试数据（20mV）
预置增益（dB）
42
44
46
48
50
52
54
56
58
60
输出幅度（V）
2.76
3.44
4.36
5.6
7.04
9
11.1
14.4
17.2
21.4
实际增益（dB）
42.8
44.7
46.8
48.9
50.9
53.1
54.9
57.1
58.7
60.6
增益误差（%）
1.9
1.61
1.67
1.96
1.86
2.05
1.64
2.05
1.19
0.98
4.结束语
综合上述各部分的测试结果：
本设计圆满地完成了题目基本部分的要求，还较好地完成了题目发挥部分的要求并扩展增益与带宽范围。
前级高阻抗输入缓冲及电源滤波，降低系统引入的噪声和干扰，最小输入电压峰峰值可达到1mV，波形良好。
各种降噪措施的综合应用保证放大器稳定工作并且降低了噪声如果能对输出增益进行进一步实测校正或者使用性能更好的器件，还可以进一步提高指标。
参考文献
[1]《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程》.高吉祥等.电子工业出版社.2007
[2]《全国大学生电子设计竞赛系统设计》.黄智伟等.北京航空航天大学出版社.2006
[3]《电子测量与仪器》.陈尚松等编著.电子工业出版社出版.2005
[4]《常用电路模块分析与设计指导》.刁鸣等.清华大学出版社.2007
附录A系统模块原理图
图5直流稳压电源原理图
图6DA控制电路
附录B主程序清单
/****************************************************************************
*名称：
th5651_1_write（）
*功能：
写DA芯片控制字，校正零点漂移
*入口参数：
无
*出口参数：
无
*说明：
DB，为全局变量，代表增益，偏置信息存储在PCdata数组总
****************************************************************************/
voidth5651_1_write（void）
{
alt_u8i;
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA（THS5651_1_DATA_BASE,PCdata[DB]）;
for（i=0;i<10;i++）
{
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA（THS5651_1_CLK_BASE,0）;
timedelay（75）;
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA（THS5651_1_CLK_BASE,1）;
timedelay（75）;
}
}
/****************************************************************************
*名称：
th5651write（）
*功能：
写DA芯片控制字，设置增益
*入口参数：
无
*出口参数：
无
*说明：
DB，为全局变量，代表增益，增益控制字信息存储在DBdata数组中
****************************************************************************/
voidth5651write（void）
{
alt_u8i;
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA（THS5651_DATA_BASE,DBdata[DB]）;
for（i=0;i<10;i++）
{
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA（THS5651_CLK_BASE,0）;
timedelay（75）;
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA（THS5651_CLK_BASE,1）;
timedelay（75）;
}
}
/****************************************************************************
*名称：
display_init（）
*功能：
显示函数
*入口参数：
无
*出口参数：
无
*说明：
不包括光标显示
*名称：
chang（）
*功能：
增益设置完毕、数据转换和显示
*入口参数：
无
*出口参数：
无
*说明：
****************************************************************************/
voidchang（void）
{
DB=uchar_to_data（ucnumber1+7,2）;
data_to_uchar（ucnumber+7,2,DB）;
data_to_uchar（ucnumber1+7,2,DB）;
display_init（）;
th5651write（）;
th5651_1_write（）;
}
/****************************************************************************
*名称：
setchang（）
*功能：
增益设置准备，启动光标
*入口参数：
无
*出口参数：
无
*说明：
****************************************************************************/
voidsetchang（void）
{
data_to_uchar_1（ucnumber1+7,2,DB）;
display_init（）;
lcdWrite（0xfb）;
lcdWrite（0x07）;
lcdWrite（0xf9）;
lcdWrite（18+ucarraycount）;
lcdWrite（0x50）;
lcdWrite（ucnumber1[6+ucarraycount]）;
}
/****************************************************************************
*名称：
fun（）
*功能：
键入赋值存于ucnumber1字符数组
*入口参数：
无
*出口参数：
无
*说明：
****************************************************************************/
voidfun（unsignedcharkdata）
{
ucnumber1[ucarraycount+7]=kdata;
if（!
ucarraycount）
ucarraycount=1;
display_init（）;
lcdWrite（0xf9）;
lcdWrite（18+ucarraycount）;
lcdWrite（0x50）;
lcdWrite（ucnumber1[6+ucarraycount]）;
}
/****************************************************************************
*名称：
funinc（）
*功能：
增益步进
*入口参数：
sign,步进标志，1为加，0为减
*出口参数：
无
*说明：
****************************************************************************/
voidfuninc（unsignedcharsign）
{alt_u8left,right;
if（sign）
{
if（DB<78）
DB++;
right=1;
left=0;
}
else
{
if（DB>0）
DB--;
right=0;
left=1;
}
data_to_uchar（ucnumber+7,2,DB）;
data_to_uchar（ucnumber1+7,2,DB）;
th5651write（）;
th5651_1_write（）;
display_init（）;
Display（0x10,0x04,ucde,left）;
Display（0x19,0x04,ucinc,right）;
}
/****************************************************************************
*名称：
funlr（）
*功能：
增益设置时，光标移动
*入口参数：
无
*出口参数：
无
*说明：
****************************************************************************/
funlr（void）
{
if（uca
升级会员 