宽带直流放大器设计课设报告.docx
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宽带直流放大器设计课设报告
目录
1设计及任务要求1
2方案论证及选择1
3总体设计及单元电路设计2
3.1总体设计2
3.2前级放大电路2
3.3后级功率放大电路3
3.4电路特点4
3.5元器件清单4
4调试及结果分析5
4.1通电前检查5
4.2通电检查5
4.2.1前级放大电路的调试5
4.2.2后级功率放大电路的调试5
4.2.3整体电路的调试5
4.3结果分析4
5小结7
6设计体会及今后的改进意见7
6.1体会7
6.2本方案特点及存在的问题8
6.3改进意见8
参考文献9
1设计及任务要求
宽带直流放大器设计基本要求：
（1）电压增益AV=20dB，输入电压有效值Vi=20mV。
AV可在0～40dB范围内手动连续调节。
（2）最大输出电压正弦波有效值Vo≥2V，输出信号波形无明显失真。
（3）3dB通频带0～1.5MHz；在0～1MHz通频带内增益起伏≤1dB。
（4）放大器的输入电阻≥50，负载电阻（50±2）。
参考元器件：
OPA642，AD811，AD603
2方案论证及选择
（1）前级增益控制的选择
方案一：
前级放大采用OPA642和AD603，第一级用OPA642的同相比例放大电路进行放大，第二级采用AD603的典型电路放大，其增益在-10dB至30dB可调，带宽可以达到90MHz，通过改变缩放比例参考电压来调节增益大小。
由于OPA642的增益带宽积为400MHz，所以可以轻易达到要求的1.5MHz。
但是，第一级采用的是同相比例放大电路很容易就发生自激。
还有第二级的AD603在实际中很难使增益调到最大，也容易产生自激，和前级的放大倍数有很大关系，在实际调试中困难较大。
但是该方案可以实现自动增益控制，得到广泛应用。
方案二：
前级采用两片AD811放大信号，两级都采用反相比例放大电路。
由于AD811的增益带宽积为140MHz，所以每级放大十倍就可以达到要求的增益40dB、带宽1.5MHz。
通过调节反馈回路的电阻阻值来改变放大倍数。
因为采用的是反相比例放大电路，所以不易产生自激。
而且该方法简单，电路简易,但需要手动调节增益。
综合多方面因素考虑，本设计选择了方案二。
（2）后级功率放大
方案一：
采用三极管等分立器件实现。
该方法可以较为准确地调节放大倍数、输入输出阻抗等参数，但实际的调试过程比较复杂，而且由于分立元件布参数较大，会引入较大噪声和干扰。
方案二：
采用消除交越失真的互补功率放大电路，该电路可使用常用的两种类型的三极管2N3904/2N3906实现“互补”的工作方式。
该方法电路简单，便于调试，能够消除交越失真，电路的频率特性较好，对前级的输出影响较小。
综合多方面因素考虑，采用方案二。
3总体设计及单元电路设计
3.1总体设计
图3-1-1总体框图
工作原理：
前级放大模块采用了电压串联负反馈电路，以实现最大电压增益达到40dB以上。
放大器采用AD811来实现宽带放大。
后级功率放大电路采用消除交越失真的互补功率放大电路，不仅可以消除交越失真，可以实现功率放大，以驱动51Ω的负载。
3.2前级放大电路
图3-2-1前级放大电路
工作原理：
前级放大电路可以分为第一级和第二级放大电路。
两部分电路都采用AD811接成反相比例放大电路。
两级的放大倍数相同（A=R1/R8=10），最终将输入信号放大100倍（40dB）输出。
因为增益带宽积为140MHz，所以，理论上经过一级10倍放大后带宽最大可达14MHz，但两级放大会使带宽变窄。
之所以采用两级一样的放大电路是因为单级放大40dB容易引起自激，且两级放大电路对称时，不仅可以实现电压增益达到40dB，引入的干扰也很减少，输出的波形就越不容易出现失真。
由于本系统放大倍数较大，后级的信号耦合到前级很容易引起自激震荡。
所以为了提高放大器的稳定性，需要注意的是尽量做好电源去耦，特别是由于本系统的带宽较宽，信号有可能通过电源线相互耦合，为了防止电源线引起的干扰，本设计在每个芯片的电源线上都使用了去耦电容。
在运放的连接中，反馈电阻要尽量靠近输入引脚，防止反馈回路中的分布电容引入反馈回路中的极点引起自激。
除此之外在电路布局中使输入级与输出级电路远离，防止耦合。
3.3后级功率放大电路
图3-3-1后级功率放大电路
工作原理：
该电路中的电阻和两个稳压二极管使三极管均工作在临界导通状态，可消除交越失真。
当输入电压为正时，T1管导通，T2管截止，正电源供电，电路为射极输出形式，uo近似等于ui。
当输入电压为负时，T1管截止，T2管导通，负电源供电，电路也为射极输出形式，uo也近似等于ui。
T1、T2交替工作，使uo一直近似等于ui。
3.4原理总图
图3-4-1宽带直流放大器原理图
3.5元器件清单
表3-5-1元器件清单
元器件名称
型号
数量
放大器
AD811
2
三极管
2N3904
1
三极管
2N3906
1
电位器
103
3
稳压二极管
1N4148
2
电解电容
22uf
4
陶瓷电容
104
4
电阻
500
2
电阻
5K
2
电阻
10K
3
4调试及结果分析
为使电路便于调试我们采用分块调试的方法。
4.1通电前检查
电路安装完毕后，经检查电路各部分接线正确，电源、元器件之间无短路，器件无接错现象。
4.2通电检查
4.2.1前级放大电路的调试
将前级放大电路和其他电路模块断开，只单独对前级放大电路调试。
然后给电路两端接正、负5伏直流电压和电路的输入端接上电压有效值Vi=20mV的正弦信号。
理论上用示波器观察前级输出端时，是一个无失真的正弦波，且改变电位器R4（R8）时，输出波的峰值也会改变，当电位器阻值最大时，输出波的峰值也达到最大。
由于两级运放连接会是带宽变窄，所以实际电路与仿真结果有所差异，但还是能够达到设计要求，带宽可达到2MHz，超出设计所要求的1.5MHz。
且波形在通频带内不失真。
4.2.2后级功率放大电路的调试
将后级功放模块与其他电路模块断开，在功放模块的输入端接上电压有效值Vi=2V的正弦信号和给电路两端接正、负8伏直流电压，用示波器观察功放的输出端的波形，调节电位器R5，使输出的波形不失真且输出电压有效值Vi=2V左右。
4.2.3整体电路的调试
将前级放大、后级功放连接起来，给电路两端接正、负5伏直流电压和电路的输入端接上电压有效值Vi=20mV的正弦信号。
先把电压增益调到最大，然后不断改变信号的频率，用示波器观察最后输出的波形，若波形失真，应适当的调节一下R5，使波形不失真。
后级功放和前级放大电路的匹配是设计的难点，一般很难消除后级功放对前级放大电路的影响，使得带宽变窄。
由上图可看出实际电路和仿真的结果有一定的差异，由实际电路的幅频特性曲线看出，在500KHz左右增益开始变大，到600KHz左右增益达到最大后开始下降，其3db带宽可达到2MHz。
虽然和仿真结果有一定的差异，但还是远远达到了设计的要求。
4.3结果分析
Vip-p/mv
Fo/KHz
Vop-p/v
56.5
1
5.65
56.5
10
5.6
56.5
160
5.6
56.5
250
5.8
56.5
300
5.9
56.5
350
5.9
56.5
400
6
56.5
500
6
56.5
550
5.9
56.5
600
5.8
56.5
670
5.6
56.5
720
5.5
56.5
750
5.4
56.5
780
5.3
56.5
830
5.2
56.5
860
5.1
56.5
900
5
56.5
950
4.9
56.5
1000
4.9
56.5
1050
4.8
56.5
1100
4.7
56.5
1200
4.6
56.5
1300
4.5
56.5
1400
4.4
56.5
1500
4.4
56.5
1600
4.3
56.5
1700
4.3
56.5
1800
4.2
56.5
1900
4
56.5
2000
4
56.5
2100
3.9
4-3-1电路的频率特性
2.电路的频率特性曲线
图4-3-1电路的频率特性曲线
测试结果分析：
在20HZ-1.3MHz的频率范围内，电压增益起伏在1dB左右，在输出50Ω负载电阻上，放大器最大不失真输出电压峰峰值≥2V。
5小结
本文所设计的宽带直流放大器具有较强的小信号放大能力和很宽的频带范围。
由实验数据可知，当带宽高达2MHz时，带负载后由于前级放大电路和后级功率放大电路的匹配问题，使得输出在500KHz增益开始变大，到600KHz增益达到最大后开始下降。
当频率达到2MHz后增益下降到37db，即3db通频带可达2MHz，且在通频带内波形没有失真。
可知题目所要求的基本要求已经达到，而且完成了部分发挥功能。
6设计体会及今后的改进意见
6.1体会
通过本次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试;熟悉了常用仪器、仪表。
了解了电路的连线方法;以及如何提高电路的性能等等，掌握了焊接的方法和技术。
不仅培养了独立思考、动手操作的能力,团体协作能力，在各种其它能力上也都有了提高。
这个题目在做的过程中，经常出现自激，否则两级连接后就会自激。
在电路布线设计时尽量不用导线，使器件的离得近一些，还有就是一定要做好电源的滤波，这样可以减小电路自激的可能性。
本系统应用了电容、电感等抗干扰措施以抑制放大器的噪声、反馈放大以及互补功率放大电路等知识。
通过设计电路，焊电路、调试电路，我深刻地感受到：
在设计和制作高频电子产品时，除了电路设计正确，元器件选型合理外，合理的排板、布线，在某些时候显得更为重要，能够有效抑制高频自激，改善了放大器的稳定性，较好的实现了设计的要求。
6.2本方案特点及存在的问题
本方案电路简易、失真小、增益稳定且不易出现自激。
在做后级功放时，在基本的功放电路的基础上，加上了一些电阻和两个稳压二极管便可以消除交越失真，从而提高了输出功率。
但是前级放大电路和后级功放之间不太匹配，后级对前级有一定的影响，使得增益在通频带的一段增幅较大，且使得带宽变窄，但在设计的要求范围内。
6.3改进意见
后级功放才用THS3091驱动负载，THS3091是一款高压、低失真、电流反馈运算放大器，它的带宽高达210Mhz（G=2,RL=100）。
其最大输出电流为250mA，该方法不但可以调整前级产生的偏置电压，还能起放大作用，这样可以使前级的放大倍数缩小，就不易发生自激。
由于将直流隔去，所以不会产生过大的噪声干扰。
但该芯片价格较贵，如果不考虑价钱因素的话，该方案比较优越些。
还有在今后的设计中，我会尽量做到合理的排板、布线。
采用适当而更有效的措施来抑制放大器的干扰，以改善了放大器的稳定性。
参考文献
【1】黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计[M].北京：
北京航空航天出版社，2006.
【2】童诗白.模拟电子技术基础.清华大学.高等教育出版社.2006
【3】康华光主编.电子技术基础模拟部分（第五版）高等教育出版社
【4】高吉祥主编.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程模拟电子线路设计电子工业出版社
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