增益可控宽带放大电路的设计.docx

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增益可控宽带放大电路的设计

1 引言

放大电路是模拟电子电路中最经常使用、最大体的一种典型电路。

不管日常利用的收音机、电视机、或周密的测量仪表和复杂的自动操纵系统等，其中一样都有各类各样不同类型的放大电路。

可见，放大电路是应用十分普遍的模拟电路。

平常咱们讨论的模拟信号运算电路、信号处置电路和波形发生电路等，实质上都是在放大的基础上进展、演变而取得的，因此说，放大电路是最大体的模拟电路。

随着微电子技术、运算机网络技术和通信技术等行业的迅速进展，自动增益操纵电路愈来愈被人们熟知而且普遍的应用到各个领域当中。

自动增益操纵线路，简称AGC线路，A是AUTO（自动），G是GAIN（增益），C是CONTROL（操纵）。

它是输出限幅装置的一种，是利用线性放大和紧缩放大的有效组合对输出信号进行调整。

当输入信号较弱时，线性放大电路工作，保证输作声信号的强度；当输入信号强度达到必然程度时，启动紧缩放大线路，使声输出幅度降低，知足了对输入信号进行衰减的需要。

也确实是说，AGC功能能够通过改变输入输出紧缩比例自动操纵增益的幅度，扩大了接收机的接收范围，它能够在输入信号幅度转变专门大的情形下，使输出信号幅度维持恒定或仅在较小范围内转变，不至于因为输入信号过小而无法正常工作，也不至于因为输入信号太大而使接收机发生饱和或堵塞。

在电路设计中，这种线路被大量的运用，从尖端的雷达技术到日常的广播电视系统，自动增益操纵无疑专门好的解决了各类技术中存在的信号强度问题。

目前，实现自动增益操纵的手腕有很多，在本文中，要紧研究的是如何以放大器来实现自动增益操纵的目的，也确实是自动增益操纵放大器。

2方案论证与比较

增益操纵部份

方案一：

原理框图如下图，场效应管工作在可变电阻区，输出信号取自电阻与场效应管与对

的分压。

采纳处效应管作AGC操纵能够达到很高的频率和很低的噪声，但温度、电源等的漂移将会引发分压比的转变,采纳这种方案很难实现增益的精准操纵和长时刻稳固。

输入

图方案一示用意

方案二：

采纳可编程放大器的思想，将输入的交流信号作为高速D/A的基准电压，这时的D/A作为一个程控衰减器。

理论上讲，只要D/A的速度够快、精度够高能够实现很宽范围的周密增益调剂。

可是操纵的数字量和最后的增益（dB）不成线性关系而是成指数关系，造成增益调剂不均匀，精度下降。

图方案三示用意

方案三：

如下图，利用操纵电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA，用操纵电压和增益（dB）成线性关系的可变增益放大器来实现增益操纵。

用电压操纵增益，便于单片机操纵，同时能够减少噪声和干扰[1]。

综上诉述，可选用方案三，采纳集成可变增益放大器AD603作增益操纵。

AD603是一款低噪声、周密操纵的可变增益放大器，温度稳固性高，最大增益误差为，知足本课题要求的精度，其增益（dB）与操纵电压（V）成线性关系，因此能很方便地利用D/A输出电压操纵放大器的增益。

功率输出部份

依照题目要求，放大器通频带从0到40MHz，单纯的用音频或射频放大的方式来完成功率输出，要做到有效值输出为6V难度较大，而用高电压输出的运放来做又很不现实，市面上很难买到宽带功率运放。

这时采纳分立元件就很能显示其优势[2]。

测量有效值部份

方案一：

利用高速ADC对电压进行采样，将一周期内的数据输入到单片机并计算其均方根值，可得出其电压有效值：

（）

此方案有抗干扰能力强、设计灵活、精度高等优势，但调试困难，高频时采样困难，且计算量大，增加了软件难度。

方案二：

对信号进行周密整流并积分，取得正弦电压的平均值，再进行ADC采样，利用平均值和有效值之间的简单换算关系，计算出有效值显示。

只用了简单的整流滤波电路和单片机就能够够完成交流信号有效值的测量。

但此方式对非正弦波的测量会引发较大的误差。

方案三：

采纳集成真有效值变换芯片，直接输出被测信号的真有效值。

如此能够实现对任意波形的有效值测量。

综上所述，咱们采纳方案三，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％，且外围元件少，频带宽，关于一个有效值为1V的信号，它的3dB带宽为40MHz,而且能够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，但它不适用于高于40MHz的信号。

此方案硬件易实现，而且40MHz以下时候测得的有效值的精度能够保证，在题目要求的通频带0～40MHz内精度较高。

40MHz以上输出信号可采纳高频峰值检测的方式来测量，可是由于时刻关系，高于40MHz的信号咱们未能测量显示[3]。

整体系统框图

整体系统框图如图所示。

图系统整体框图

如下图，那个系统框图很重要的一点确实是要避免外来和自身的干扰，就这一点，此图从三个方面采取了方法：

一是输入缓冲和增益操纵部份用屏蔽盒给罩住。

二是功放电路也用屏蔽盒给隔离了。

三是前一级的输出端口和后一级的输入端口由同轴电缆连接，避免自激。

信号进入输入缓冲和增益操纵电路中，通过缓冲和两级放大后由同轴电缆传送到功率放大电路中，再通过放大后通太低通滤波输入到A/D转换器中，把模拟信号转换成数字信号。

将数字信号通过单片机进行简单的线性计算，采纳可编程放大的思想，将输入的交流信号作为高速D/A的基准电压，利用操纵电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA，用操纵电压和增益成线性关系的可变增益放大器来实现增益操纵[4]。

3理论分析与参数计算

电压操纵增益的原理

AD603的大体增益能够用下式算出：

Gain（dB）=40VG±10

其中，VG是差分输入电压,单位是V，Gain是AD603的大体增益,单位是dB。

从式能够看出，以dB为单位的对数增益和电压之间是线性关系。

由此能够得出，只要单片机进行简单的线性计算就能够够操纵对数增益，增益步进就能够够很准确的实现。

假设要用放大倍数来表示增益，那么需要将放大倍数通过复杂的对数运算转化为以db为单位后再去操纵AD603的增益，如此在计算的进程中会引入较大的运算误差。

自动增益操纵（AGC）

自动增益操纵的大体概念

接收机的输出电平取决于其输入信号电平和接收机的增益。

由于各类缘故，接收机的输入信号转变范围通常专门大，信号较弱时能够是几微伏或几十微伏，信号强时会达几百毫伏，最强信号和最弱信号相差可达几十分贝。

那个转变范围称为接收机的动态范围。

阻碍接收机输入信号的因素有很多，例如：

发射台功率的大小、接收机距离发射台的远近、信号在传播进程中传播条件的一些转变（如电离层和对流层的骚动、天气的转变）、接收机环境的转变（如汽车上配备的接收机），还有人为产生的噪声对接收机的阻碍等等[5]。

为避免强信号引发的过载，需要增大接收机的动态范围，这就要求有增益操纵电路。

能够使放大电路的增益自动地随信号的强度而调整的操纵电路，简称自动增益操纵AGC（AutomaticGainControl）电路。

它能够在输入信号幅度转变专门大的情形下，使输出信号幅度维持在恒定或仅在较小范围内转变，不至于因为输入信号过小而无法进行正常工作，也不至于因输入信号太大而使接收机发生饱和或堵塞[6]。

经常使用来使系统的输出电平维持在必然范围之内，因此也能够称为自动电平操纵。

目前，此电路已经普遍用于各类接收机、录音机和信号搜集系统当中，另外在光纤通信、微波通信、卫星通信等通信系统及雷达、广播电视系统中也取得了普遍的应用。

AGC电路目前归纳起来有模拟AGC和数字AGC电路。

AGC环路能够放在模拟与数字电路之间，增益操纵的算法在数字部份实现，适合的增益设置反馈给模拟可变增益放大器（VGA）。

目前显现的自动增益操纵方式能够分为以下3类：

基于电路反馈的自动增益操纵、基于光路反馈的自动增益操纵、光路反馈和电路反馈相结合的自动增益操纵。

本文中将要研究的是基于电路反馈的利用放大器实现的自动增益操纵。

自动增益操纵的原理

自动增益操纵电路的作用是：

当输入信号电压转变专门大时，维持接收机输出电压恒定或大体不变。

具体的说，当输入信号很弱时，接收机的增益较大，自动增益操纵电路不起作用；当输入信号很强时，自动增益操纵电路进行操纵，使接收机的增益减小。

如此，当接收信号强度转变时，接收机的输出端的电压或功率大体不变或维持恒定。

因此对AGC电路的要求是：

在输入信号较小时，AGC电路不起作用，只有当输入信号增大到必然程度后，AGC电路才起操纵作用，使增益随输入信号的增大而减少。

  为实现上述要求，必须有一个能随外来信号强弱而变化的控制电压或电流信号，利用这个信号对放大器的增益自动进行控制。

由上述分析可知，调幅中频信号经幅度检波后，在它的输出中除音频信号外，还含有直流分量。

直流分量大小与中频载波的振幅成正比，也即与外来高频信号成正比。

因此，可将检波器输出的直流分量作为AGC控制信号[7]。

利用单片机依照输出信号幅度调剂增益。

输出信号检波后通过简单2级RC滤波后由单片机采样，截止频率为100Hz。

由于放大器通频带低端在1kHz，当工作频率为1kHz时，为保证在增益转变时输出波形失真较小，将AGC响应时刻设定为10ms，用单片机按时器0来产生10ms中断进行输出有效值采样，增益操纵电压也通过滤波后加在可变增益放大器上。

AGC操纵范围理论上可达0～80dB，事实上由于输入端加了爱惜电路，在不同输出电压时AGC范围不一样，输出在～时AGC范围约为70dB，而当输出为2V～时AGC范围可达80dB。

AGC电路工作原理：

能够分为增益受控放大电路和操纵电压形成电路。

增益受控放大电路位于正向放大通路，其增益随操纵电压U0而改变。

操纵电压形成电路的大体部件是AGC整流器和低通滑腻滤波器，有时也包括门电路和直流放大器等部件。

正弦电压有效值的计算

AD637的内部结构如图所示：

依照AD637芯片手册所给出的计算真有效值的体会公式为：

其中：

为输入电压，

为输出电压有效值。

图AD637的内部结构图

4系统各模块电路的设计

输入缓冲和增益操纵部份

图输入缓冲和增益操纵电路

由于AD603的输入电阻只有100Ω，要知足输入电阻大于Ω的要求，必需加入输入缓冲部份用以提高输入阻抗；另外前级电路对整个电路的噪声阻碍超级大，必须尽可能减少噪声。

故采纳高速低噪声电压反馈型运放OPA642作前级跟从，同时在输入端加上二极管过压爱惜[8]。

在前级跟从运放中，输出电压与输入电压的关系如下：

=（1+

）

=（1+

）×

=

（）

当

=

=

时，可得出：

=

。

如下图，输入部份先用电阻分压衰减，再由低噪声高速运放OPA642放大，整体上仍是一个跟从器，二极管能够爱惜输入到OPA642的电压峰峰值不超过其极限（2V）。

其输入阻抗大于Ω。

OPA642的增益带宽积为400MHz，那个地址放大倍，以上的信号被衰减。

增益放大器的输入与前置缓冲级的输出端口P1，P2由同轴电缆连接，以防外界干扰。

级间耦合采纳电解电容并联高频瓷片电容的方式，兼顾高频和低频信号。

将增益操纵部份装在屏蔽盒中，盒内采纳多点接地和就近接地的方式幸免自激，部份电容电阻采纳贴片封装，使输入级连线尽可能短。

该部份采纳AD603典型接法中通频带最宽的一种，如图所示，通频带为90MHz，增益为－10～+30dB，输入操纵电压U的范围为－～＋。

图AD603接成90MHz带宽的典型方式

增益和操纵电压的关系为

AG（dB）=40×U±10（）

一级的操纵范围只有40dB，利用两级串联，增益为

AG（dB）=40×U1+40×U2±20（）

增益范围是－20dB～+60dB，满足题目要求。

由于两级放大电路幅频响应曲线相同，因此当两级AD603级联后，其带宽会有所下降，级联前各级带宽为90MHz左右，两级放大电路级联后总的3db带宽对应着单级放大电路带宽，依照幅频响应曲线可得出级联后的总带宽为60MHz.[9]。

功率放大部份

图功率放大电路

电路如下图。

参考音频放大器中驱动级电路，考虑到负载电阻为600Ω，输出有效值大于6V，而AD603输出最大有效值在2V左右，因此选用两级三极管进行直接耦合和发射结直流负反馈来构建末级功率放大，第一级进行电压放大，整个功放电路的电压增益都在这一级，第二级进行电压合成和电流放大，将第一级输出的双端信号变成单端信号，同时提高带负载的能力，假设需要更大的驱动能力那么需要在后级增加三极管跟从器，事实上加上跟从器后通频带急剧下降，缘故是跟从器的结电容被等效放大，当输入信号频率很高时，输出级直流电流专门大而输出信号很小。

利用2级放大已足以满足题目的要求。

选用NSC的2N3904和2N3906三极管（特点频率

＝250～300MHz）可达到25MHz的带宽[10]。

整个电路没有利用频率补偿，可对DC到20MHz的信号进行线性放大，在20MHz以下增益超级平稳，为稳固直流特性。

咱们将反馈回路用电容串联接地，加大直流负反馈，但这会使低频响应变差，事实上如此做只是把通频带的低频下限频率从DC提高到1kHz，但电路的稳固性提高了很多。

本电路放大倍数为：

AG≈1＋R10/R9（）

整个功放电路电压放大约10倍。

通过调剂R10来调剂增益，依照电源电压调剂R7可调剂工作点。

操纵部份

这一部份由51系列单片机、A/D、D/A和基准源组成，如下图。

利用12位串行A/D芯片ADS7816和ADS7841（便于同时测量真有效值和峰值）和12位串行双D/A芯片TLV5618。

基准源采纳带隙基准电压源MC1403。

图数字部份框图

5电源电路

电网提供的交流电一样为220V（或380V），而各类电子设备所需要直流电压的幅值却各不相同，本设计是将电网电压通过电源变压器，然后将变换以后的副边电压（+/-15V）去整流、滤波和稳压，最后取得设计所需要的直流电压幅值（+/-12V）。

其原理图如下图。

图电源电路

电源变压器

变压器技术参数对不同类型的变压器都有相应的技术要求，可用相应的技术参数表示.如电源变压器的要紧技述参数有：

额定功率、额定电压和电压比、额定频率、工作温度品级、温升、电压调整率、绝缘性能和防潮性能，关于一样低频变压器的要紧技述参数是：

变压比、频率特性、非线性失真、磁屏蔽和静电屏蔽、效率等。

变压器两组线圈圈数别离为N1和N2，N1为低级，N2为次级.在低级线圈上加一交流电压，在次级线圈两头就会产生感应电动势。

当N2>N1时，其感应电动势要比低级所加的电压还要高，这种变压器称为升压变压器：

当N2

在额定功率时，变压器的输出功率和输入功率的比值，叫做变压器的效率，即

η=（P2÷P1）x100%

式中η为变压器的效率;P1为输入功率，P2为输出功率。

当变压器的输出功率P2等于输入功率P1时，效率η等于100%，变压器将不产生任何损耗.但事实上这种变压器是没有的.变压器传输电能时总要产生损耗，这种损耗要紧有铜损和铁损。

铜损是指变压器线圈电阻所引发的损耗。

当电流通过线圈电阻发烧时，一部份电能就转变成热能而损耗.由于线圈一样都由带绝缘的铜线缠绕而成，因此称为铜损。

变压器的铁损包括两个方面。

一是磁滞损耗，当交流电流通过变压器时，通过变压器硅钢片的磁力线其方向和大小随之转变，使得硅钢片内部份子彼此摩擦，放出热能，从而损耗了一部份电能，这即是磁滞损耗。

另一是涡流损耗，当变压器工作时。

铁芯中有磁力线穿过，在与磁力线垂直的平面上就会产生感应电流，由于此电流自成闭合回路形成环流，且成旋涡状，故称为涡流.涡流的存在使铁芯发烧，消耗能量，这种损耗称为涡流损耗。

变压器的效率与变压器的功率品级有紧密关系，通常功率越大，损耗与输出功率就越小，效率也就越高。

反之，功率越小，效率也就越低。

变压器铁心磁通和施加的电压有关。

在电流中励磁电流可不能随着负载的增加而增加。

尽管负载增加铁心可不能饱和，将使线圈的电阻损耗增加，超过额定容量由于线圈产生的热量不能及时的散出，线圈会损坏，假设你用的线圈是由超导材料组成，电流增大可不能引发发烧，但变压器内部还有漏磁引发的阻抗，但电流增大，输出电压会下降，电流越大，输出电压越低，因此变压器输出功率不可能是无穷的。

假设变压器没有阻抗，那么当变压器流过电流时会产生专门大电动力，很容易使变压器线圈损坏，尽管你有了一台功率无穷的变压器但不能用。

只能如此说，随着超导材料和铁心材料的进展，相同体积或重量的变压器输出功率会增大，但不是无穷大。

选择电源变压器时要注意两点：

功率和副级的交流电压U2，其中副边电压V2要依稳压电路的输出电压Uo变压器功率要依据最大输出电流Io来确信，当电压差过小时，会使稳压器的性能变差而不起稳压作用，同时又会增大稳压器本身的功率消耗，使最大输出电流有所降低。

一样的估算方式是，（Uo≤12V时，U2=U0;当U0≥12V时，U2=U0+2）在具体应历时，还需依照所用电源变压器的实际来作出调整。

电网提供的交流电一样为220V（或380V），而各类电子设备所需要直流电压的幅值却各不相同，本设计是将电网电压通过电源变压器，然后将变换以后的副边电压（+/-15V）去整流、滤波和稳压，最后取得所需要的直流电压幅值（+/-12V）。

单相桥式整流

整流电路的作用是利用具有单方向导电性能的整流元件将正负交替的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压，可是这种单向脉动电压往往包括着专门大的脉动成份，距离理想的直流电压差得很远。

本电路应用一组副边线圈的变压器,达到全波整流的目的。

电路种采纳了四个二极管，接成电桥形式，故称为桥式整流电路。

由表1可知，在一样的U2之下，半波整流电路的输出直流电压最低，而脉动系数

最高。

桥式整流电路和全波整流电路当U2相同时，输出直流电压相等，脉动系数也相同，但桥式整流电路中，每一个整流管所经受的反相峰值电压比全波整流电路低，因此它的应用比较普遍。

表1单相整流电路的要紧参数

Uo（av）/U2

S

Id（av）/Io（av）

URM/U2

波整流

157％

100％

全波整流

67％

50％

桥式整流

67％

50％

桥式整流电路的工作原理如下：

e2为正半周时，对D1、D3加正向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。

电路中组成e2、Dl、Rfz、D3通电回路，在Rfz上形成上正下负的半波整流电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。

电路中组成e2、D2Rfz、D4通电回路，一样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。

如此重复下去，结果在Rfz上

图桥式整流电路

便取得全波整流电压。

其波形图和全波整流波形图是一样的。

从图中还不难看出，桥式电路中每只二极管经受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。

桥式整流电路的工作原理如下图。

在u2的正半周，D1、D3导通，D2、D4截止，电流由TR次级上端经D1→RL→D3回到TR次级下端，在负载RL上取得一半波整流电压。

在u2的负半周，D1、D3截止，D2、D4导通，电流由Tr次级的下端经D2→RL→D4回到Tr次级上端，在负载RL上取得另一半波整流电压。

如此就在负载RL上取得一个与全波整流相同的电压波形，其电流的计算与全波整流相同，即

UL=   （）

IL=／RL    （）

流过每一个二极管的平均电流为

ID=IL／2=U2／RL（）

 每一个二极管所经受的最高反向电压为:

（为全波整流的一半）（）

目前，小功率桥式整流电路的四只整流二极管，被接成桥路后封装成一个整流器件，称"硅桥"或"桥堆"，利用方便。

桥式整流电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管经受反压大的缺点，但多用了两只二极管。

在半导体器件进展快，本钱较低的今天，此缺点并非突出，因此桥式整流电路在实际中应用较为普遍。

整流元件的选择和运用

需要专门指出的是，二极管作为整流元件，要依照不同的整流方式和负载大小加以选择。

如选择不妥，那么或不能平安工作，乃至烧了管子；或牛鼎烹鸡，造成浪费。

图大体整流电路

图是一种最简单的整流电路。

它由电源变压器B、整流二极管D和负载电阻Rfz组成。

变压器把市电电压（多为220伏）变换为所需要的交变电压e2，D再把交流电变换为脉动直流电。

另外，在高电压或大电流的情形下，若是没有经受高电压或整定大电滤的整流元件，能够把二极管串联或并联起来利用。

图二极管整流

图示出了二极管并联的情形：

两只二极管并联、每只分担电路总电流的一半；三只二极管并联，每只分担电路总电流的三分之一。

总之，有几只二极管并联，流经每只二极管的电流就等于总电流的几分之一。

可是，在实际并联运历时，由于各二极管特性不完全一致，不能均分所通过的电流，会使有的管子困负担过重而烧毁。

因此需在每只二极管上串联一只阻值相同的小电阻器，使各并联二极管流过的电流接近一致。

这种均流电阻R一样选用零点几欧至几十欧的电阻器。

电流越大，R应选得越小。

二极管串联的情形。

显然在理想条件下，有几尽管子串联，每尽管子经受的反向电压就应等于总电压的几分之一。

但因为每只二极管的反向电阻不尽相同，会造成电压分派不均：

内阻大的二极管，有可能由于电压太高而被击穿，并由此引发连锁反映，逐个把二极管击穿。

在二极管上并联的电阻R，能够使电压分派均匀。

均压电阻要取阻值比二极管反向电阻值小的电阻器，各个电阻器的阻值要相等。

滤波电路

从上面的分析能够看出，整流电路输出波形中含有较多的纹波成份，与所要求的波形相去甚远。

因此通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。

滤波电路常有电容滤波，电感滤波和RC滤波等。

图别是桥式整流电容滤波电路和它的部份波形。

那个地址假设t<0时，电容器C已经充电到交流电压V2的最大值（如波形图所示）。

图电容滤波电路

电解电容器C1是稳压器输入端的滤波电容。

关于电解电容，在高频时其自身存在较大的等效电感，故其关于引入的各类高频干扰的抑制能力较差。

为了改善微波电压和瞬时输入电压，在C1旁并联一只小容量电容器（容量）C3，可有效抑制高频干扰。

另外，稳压器在开环增益较高，负载较重的状态下，由于散布参数的阻碍，有可能产生自激，C3那么兼有抑制高频震荡的作用。

在三端稳压器的输出端接入电容器C5是为了改善瞬态负载相应特性和减小高频输出阻抗。

如对电路的要求不高，C3，C5可不用。

6抗干扰方法

系统总的增益为0～80dB，前级输入缓冲和增益操纵部份增益最大可达60dB，因此抗干扰方法必需要做得专门好才能幸免自激和减少噪声。

咱们采纳下述方式减少干扰，幸免自激：

1将输入部份和增益操纵部份装在屏蔽盒中，幸免级间干扰和高频自激。

2电源隔离，各级供电采纳电容隔离，输入级和功率输出级采纳隔离供电，各部份电源通过电容隔离，输入级电源靠近屏蔽盒就近接上1000uF电解电容，盒内接高频瓷片电容，通过这种方式可幸免低频自激。

3所有信号耦合用电解电容两头并接高频瓷片电容以幸免高频增益下降。

4构建闭路环。

在输入级，将整个运放用较粗的地线包围，可吸收高频信号减少噪声。

在增益操纵部份和后级功率放大部份也都采纳了此方式。

在功率级，这种方式能够有效的幸免高频辐射。

5数模隔离。

数字部份和模拟部份之间除电源隔离之外，还将各操纵信号用电容隔离。

6利用同轴电缆，输入级和输出级利用BNC接头，输入级和功率级之间用同轴电缆连接。

实践证明,电路的抗干扰方法