宽带直流放大器 初稿.docx

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宽带直流放大器初稿

科技学院2010届本科毕业论文

宽带直流放大器

学科专业：

电子信息科学与技术

指导教师：

李良荣

学生姓名：

桑子川

学生学号：

062004100334

中国﹒贵州﹒贵阳

2010年5月

目录

目录I

摘要III

AbstractIV

第一章绪论1

1.2课题现状1

1.3课题的研究目的和意义2

1.4本文结构3

第二章宽带放大器概述4

2.1什么是宽带放大器4

2.2宽带放大器的性能指标4

2.3宽带放大器的动态技术指标5

2.4宽带和增益带宽等的主要指标6

2.5宽带放大器的技术指标7

第三章理论分析和参数计算8

3.1增益带宽积8

3.2通频带内增益起伏控制9

3.3线性相位10

3.4抑制直流零点漂移10

3.5放大器稳定性10

第四章AD603可控增益放大器介绍11

4.1AD603芯片介绍11

4.1.1内部结构12

4.1.2AD603管脚定义13

4.2AD603芯片应用13

4.2.1单片AD603的应用13

4.2.2多片AD603的应用15

4.3AD603使用注意事项17

第五章自动增益控制17

5.1自动增益控制的基本概念17

5.2自动增益控制的原理18

5.3自动增益控制放大器18

第六章宽带直流放大器电路设计19

6.1两级宽带放大电路设计19

6.2自动增益的实现21

6.3抗干扰措施22

第七章电路仿真23

7.1观察放大信号有无失真23

7.2测量电路的幅频特性24

第八章设计总结26

参考文献27

致谢28

诚信承诺书29

宽带直流放大器

摘要

本设计主要是运用模拟电子线路的知识，利用AD603为核心设计的宽带直流放大器。

在介绍AD603的基础上，针对各种接收机对宽带直流放大电路的要求,设计实现了一种基于宽带放大器AD603的AGC放大电路对其整体结构进行了详细的设计,并根据电路要求设计了跟随器输出电路及取样反馈电路,该放大电路具有增益高、AGC范围宽、负载能力强、输出幅度恒定、工作性能稳定等优点,能够满足一般接收机的使用场合，本文中所描述的AGC具有理论上84dB的动态范围，90MHz的带宽，检波电路采用三极管检波，成本低，调试简单。

关键字：

AD603,宽带直流放大器，AGC

WidebandDCAmplifier

Abstract

ThisdesignismainlytheknowledgeoftheuseofanalogelectroniccircuitsusingtheAD603forthecoredesignofbroadbanddcamplifier.InintroducingtheAD603basedontheDCforvariousreceiveramplifierinbroadbandrequirements,designandimplementationofbroadbandamplifiersbasedontheAGCamplifierAD603overallstructureofitsdetaileddesignandrequirementsdesignedtofollowthecircuitOutputcircuitandsamplefeedbackcircuit,theamplifierhashighgain,AGCrange,loadcapacity,theoutputrateconstant,stableperformance,butalsocanusetheoccasiontomeetthegeneralreceiver,AGCdescribedinthisarticlehasatheoryonthe84dBdynamicrange,90MHzbandwidth,thedetectorcircuittransistordetector,lowcost,simpletodebug.

Keywords：

AD603;AGC;WidebandDCAmplifier

第一章绪论

1.1引言

近年来随着科技和通讯技术的高速发展和应用，多媒体信息的高速传输呈现飞速增长的趋势，人们迫切地要求能够远距离随时随地迅速而准确地传送多媒体信息。

于是，无线通信技术得到了迅猛的发展，技术也越来越成熟。

而宽带直流放大器是上述通信系统和其它电子系统必不可少的一部分。

现在宽带直流放大器广泛应用于通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中，起到非常重要的作用。

这些系统一般要求放大器具有增益可调、宽频带、低噪声、工作稳定等特点。

要同时满足这些性能指标，对电路设计提出了很高的要求，尤其是高频PCB和电磁兼容的设计要求。

1.2课题现状

宽带放大器是音响、有线电视、无线通信等系统中必不可少的部分，现在对放大器的发展做一个简要介绍。

自1877年爱迪生发明留声机至今已有127年了，前70年音响发展缓慢且大多停留在象牙塔中，后50余年进入民间，发展日新月异。

自从1927年贝尔实验室发表了划时代的负反馈技术后，声频功率放大器开始进入一个崭新时代。

1947年，威廉逊（Williamson）在英国《无线电世界》发表了划时代的《高保真放大器设计》一文，介绍了一种电子管功率放大器，成功地应用了负反馈技术，其失真度仅为0.5%，音色之靓，堪称古典功放之皇。

自威廉逊的论文发表后4年，美国《Audio》杂志刊登了把超线性放大器经过适当变形后与威廉逊放大器相结合的电路。

其超线性设计，大大地降低了非线性失真。

可以认为威廉逊放大器和超线性放大器标志着负反馈技术在音频领域中的应用已经日趋成熟和广泛，为十年后脱颖而出的晶体管放大器奠定了坚实基础。

50年代末，美国在电子器件技术领域率先跨出一步，推出了时代骄子——集成电路。

到了60年代末70年代初，集成电路以其质优价廉、多功能的特点开始在音频功率放大器上广泛应用。

1977年，日立公司生产出了世界上第一只VMOS（VerticalMetalOxideSemiconductor）功率管。

60年代，晶体管开始问世，从此揭开了现代放大器的序幕。

1970—1973年，是级间全部直耦OCL（OutputCapacitorless）方式的普及期；1974—1976年是DC（DigitalCircuit）放大器全盛时期。

70年代末至今，晶体管功率放大器得到了淋漓尽致的发挥，设计形式已相当多，这一切都为集成电路功放技术设计铺平了道路。

70年代到现在,增加信号幅度或功率的装置。

它是自动化技术工具中处理信号的重要元件。

放大器的放大作用是用输入信号控制能源来实现的，放大所需功耗由能源提供。

对于线性放大器，输出就是输入信号的复现和增强。

对于非线性放大器，输出则与输入信号成一定函数关系。

放大器按所处理信号物理量分为机械放大器、机电放大器、电子放大器、液动放大器和气动放大器等，其中用得最广泛的是电子放大器。

随着射流技术的推广，液动或气动放大器的应用也逐渐增多。

电子放大器又按所用有源器件分为真空管放大器、晶体管放大器、固体放大器和磁放大器，其中又以晶体管放大器应用最广。

在自动化仪表中晶体管放大器常用于信号的电压放大和电流放大，主要形式有单端放大和推挽放大。

此外，还常用于阻抗匹配、隔离、电流-电压转换、电荷-电压转换（如电荷放大器）以及利用放大器实现输出与输入之间的一定函数关系（如运算放大器）。

从此来看，放大器经过了电子管、晶体管、集成电路及VMOS功率管等几个时期，它们皆以各自独特的不可取代的优势各领风骚[1]。

1.3课题的研究目的和意义

宽带直流放大器的应用在现代人们的日常生活中相当的普遍，选择做此项目，可以熟练的掌握此项技术，更利于所学知识的巩固及能力的提高。

理论更贴近实际,对自已的长远发展有着深远的影响。

学习制作宽带放大器可以：

（1）学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。

（2）学会宽带直流放大器的设计方法和性能指标测试方法。

（3）培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

宽带直流放大器是信号放大系统的核心，已广泛用于各种接收机、录音机和信号采集系统中，另外在光纤通信、微波通信、卫星通信等通信系统以及雷达、广播电视系统中也得到了广泛的应用，与人们的生活息息相关，推动了社会信息化的发展，学习设计宽带直流放大器具有非常重要的意义。

1.4本文结构

本文利用AD603芯片，设计出一个宽带直流放大器。

第一章：

绪论（本章阐述了宽带直流放大器的背景、课题来源和研究意义，分析了宽带直流放大器设计的特点和任务）

第二章：

宽带直流放大器概述（本章具体介绍了宽带直流放大器的基本原理和运用的技术方法，以及了解放大器的分类。

）

第三章理论分析和参数计算（本章详细介绍了宽带放大器的理论计算，为下面的宽带直流放大器的设计打下坚实的基础。

）

第四章AD603可控增益放大器介绍（本章详细介绍了AD603芯片的结构和参数，以及单片AD603的应用方法和多片AD603的使用方法，为下面的电路设计打基础。

）

第五章自动增益控制（本章详细介绍了自动增益控制的基本原理，如何用自动增益控制放大器。

）

第六章宽带直流放大器电路设计（本章详细介绍了宽带直流放大器两级放大电路的设计，以及自动增益电路的实现。

为了使放大器更好的稳定工作，还采取了抗干扰措施。

）

第七章宽带直流放大器电路仿真（根据第三章的设计结果利用multisim进行了具体的仿真及测试）

第八章设计总结（总结设计直流稳压电源体会，并指出了设计过程中的不足和改进的方向。

）

第二章宽带放大器概述

2.1什么是宽带放大器

工作频率上限与下限之比远大于1的放大电路。

习惯上也常把相对频带宽度大于20％～30％的放大器列入此类。

这类电路主要用于对视频信号、脉冲信号或射频信号的放大。

用于电视图像信号放大的视频放大器是一种典型的基带型宽带放大器，所放大的信号的频率范围可以从几赫或几十赫的低频直到几兆赫或几十兆赫的高频。

这类放大器通常以电阻器为放大器的负载，以电容器作级间耦合。

为了扩展带宽，除了使其增益较低以外，通常还需要采用高频和低频补偿措施，以使放大器的增益-频率特性曲线的平坦部分向两端延展。

可以归入宽带放大器的还有用于时分多路通信、示波器、数字电路等方面的基带放大器或脉冲放大器（带宽从几赫到几十或几百兆赫），用于测量仪器的直流放大器（带宽从直流到几千赫或更高），以及音响设备中的高保真度音频放大器（带宽从几十赫到几十千赫）等。

用于射频信号放大的宽带放大器（大多属于带通型），如雷达或通信接收机中的中频放大器，其中心频率为几十兆赫或几百兆赫，通带宽度可达中心频率的百分之几十[1]。

2.2宽带放大器的性能指标

（1）输入失调电压VIO（inputoffsetvoltage）：

输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，再加上负号，即为折算到输入端的失调电压。

亦即使输出电压为零时在输入端所加的补偿电压。

VIO是表征运放内部电路对称性或者反映了输入级差分对管的失配程度，一般Vos约为（1～10）mV，高质量运放Vos在1mV以下。

（2）输入失调电压温漂：

在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。

该参数是指Vos在规定工作范围内的温度系数，是衡量运放温度影响的重要指标。

一般情况下约为（10～30）uV/摄氏度，高质量的可做<0.5uV/C（摄氏度）。

（3）输入失调电流IIO（inputoffsetcurrent）：

在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，II0＝|IB1－IB2|。

用于表征差分级输入电流不对称的程度。

通常，Ios为（0.5～5）nA，高质量的可低于1nA。

（4）.输入失调电流温漂：

在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。

它是指II0在规定工作范围内的温度系数，也是衡量运放受温度影响的重要指标，通常约为（1～50）nA/C，高质量的约为几个pA/C。

（5）输入偏置电流IB（inputbiascurrent）：

运放两个输入端偏置电流的平均值，确切地说是运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。

用于衡量差分放大对管输入电流的大小。

（6）最大差模输入电压（maximumdifferentialmodeinputvoltage）：

运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。

平面工艺制成的NPN管，其值在5V左右，横向PNP管的Vidmax可达＋30V以上。

（7）最大共模输入电压（maximumcommonmodeinputvoltage）：

在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。

共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。

2.3宽带放大器的动态技术指标

（1）开环差模电压放大倍数（openloopvoltagegain）：

运放在无外加反馈条件下，输出电压与输入电压的变化量之比。

（2）差模输入电阻（inputresistance）：

输入差模信号时，运放的输入电阻。

为运放开环条件下，从两个差动输入端看进去的动态电阻。

（3）共模输入电阻Ric（commonmodeinputresistence）：

它定义为运放两个输入端并联时对地的电阻。

对于晶体管作输入级的集成运放来说，Ric通常比Rid高两个数量级左右。

采用场效应管，输入级运算放大器Ric和Rid数值相当。

（4）共模抑制比（commonmoderejectionratio）：

与差分放大电路中的定义相同，是差模电压增益与共模电压增益之比，常用分贝数来表示。

KCMR=20lg（Avd/Avc）（dB）

它是衡量输入级差放对称程度及表征集成运放抑制共模干扰信号能力的参数。

其值越大越好。

通常KCMR约为（70～100）分贝，高质量的可达160分贝。

（5）－3dB带宽（—3dBbandwidth）：

运算放大器的差模电压放大倍数下降3dB所定义的带宽。

其值愈大愈好。

（6）单位增益带宽（BWG）（unitgainbandwidth）：

下降到1时所对应的频率，定义为单位增益带宽。

与晶体管的特征频率相类似。

（8）等效输入噪声电压Vn（equivalentinputnoisevoltage）：

输入端短路时，输出端的噪声电压折算到输入端的数值。

这一数值往往与一定的频带相对应。

2.4宽带和增益带宽等的主要指标

（1）开环带宽：

开环带宽定义为，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得开环电压增益从运放的直流增益下降3db（或是相当于运放的直流增益的0.707）所对应的信号频率。

这用于很小信号处理。

（2）单位增益带宽GB：

单位增益带宽定义为，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db（或是相当于运放输入信号的0.707）所对应的信号频率。

单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增以后，可以计算出单位增益带宽，用以选择合适的运放。

这用于小信号处理中运放选型。

（3）转换速率（也称为压摆率）SR：

运放转换速率定义为，运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。

由于在转换期间，运放的输入级处于开关状态，所以运放的反馈回路不起作用，也就是转换速率与闭环增益无关。

转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标，对于一般运放转换速率SR<=10V/μs，高速运放的转换速率SR>10V/μs。

目前的高速运放最高转换速率SR达到6000V/μs。

这用于大信号处理中运放选型。

（4）全功率带宽BW：

全功率带宽定义为，在额定的负载时，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦大信号输入到运放的输入端，使运放输出幅度达到最大（允许一定失真）的信号频率。

这个频率受到运放转换速率的限制。

近似地，全功率带宽=转换速率/2πVop（Vop是运放的峰值输出幅度）。

全功率带宽是一个很重要的指标，用于大信号处理中运放选型。

（5）建立时间：

建立时间定义为，在额定的负载时，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个阶跃大信号输入到运放的输入端，使运放输出由0增加到某一给定值的所需要的时间。

由于是阶跃大信号输入，输出信号达到给定值后会出现一定抖动，这个抖动时间称为稳定时间。

稳定时间+上升时间=建立时间。

对于不同的输出精度，稳定时间有较大差别，精度越高，稳定时间越长。

建立时间是一个很重要的指标，用于大信号处理中运放选型。

（6）等效输入噪声电压：

等效输入噪声电压定义为，屏蔽良好、无信号输入的的运放，在其输出端产生的任何交流无规则的干扰电压。

这个噪声电压折算到运放输入端时，就称为运放输入噪声电压（有时也用噪声电流表示）。

对于宽带噪声，普通运放的输入噪声电压有效值约10~20μV。

（7）差模输入阻抗（也称为输入阻抗）：

差模输入阻抗定义为，运放工作在线性区时，两输入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。

差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容，在低频时仅指输入电阻。

一般产品也仅仅给出输入电阻。

采用双极型晶体管做输入级的运放的输入电阻不大于10兆欧；场效应管做输入级的运放的输入电阻一般大于109欧。

（8）共模输入阻抗：

共模输入阻抗定义为，运放工作在输入信号时（即运放两输入端输入同一个信号），共模输入电压的变化量与对应的输入电流变化量之比。

在低频情况下，它表现为共模电阻。

通常，运放的共模输入阻抗比差模输入阻抗高很多，典型值在108欧以上。

（9）输出阻抗：

输出阻抗定义为，运放工作在线性区时，在运放的输出端加信号电压，这个电压变化量与对应的电流变化量的比值。

在低频时仅指运放的输出电阻。

这个参数在开环测试。

2.5宽带放大器的技术指标

（1）通频带△f由定义知△f=fh-fl，通常下限频率fl≈0，△f≈fh，因此放大器通频带的扩展是设法增大上限频率fh数值。

（2）中频电压放大倍数k0：

它的定义中频段的输出电压uo与输入电压ui之比。

　（3）增益与带宽乘积k0△f存在矛盾，即增大△f就会减小k0，反之则反，所以要用两者之积才能更全面地衡量放大器的质量。

ko△f越大，则宽频放大器的性能就越好，

　（4）上升时间ts:

它定义为脉冲幅度从10%上升至90%所需时间，放大器的高频特性越好，则上升时间ts越小。

　（5）下降时间tf:

它的定义为脉冲幅度从90%下降至10%所需时间，

　（6）上冲量δ：

超过脉冲幅度的百分数，

　（7）平顶下降量：

脉冲持续期内，顶部下降的百分数，放大器低频特性越好，平顶下降量越小。

第三章理论分析和参数计算

3.1增益带宽积

增益带宽积指放大器带宽与增益的乘积。

对电压反馈型放大器，增益带宽积是一个常数，带宽和闭环增益成反比，可根据增益带宽积估计出一定带宽下所能获得的最大增益。

对电流反馈型放大器，带宽只与反馈电阻有关，加大反馈电阻时，放大器带宽减小。

若接成同相放大的形式，设反馈电阻为

，取样电阻为

，电压反馈型放大器的增益为：

，其中

是开环增益（3.1.1）

电流反馈型放大器的增益为：

，

是开环互阻（3.1.2）

由上述论述可知，电流反馈放大器在高增益和低增益下均具有良好的动态特性，因为反馈电阻设定了带宽，而输入电阻设定了闭环增益。

电压反馈型放大器在较低增益下性能最佳，若将其用于高增益下，就要牺牲增益精度和带宽指标。

级联运放的-3dB带宽

可由如下方法计算：

设两级放大器的增益表达式分别为：

，

，其中

、

分别为第一级、第二级-3dB带宽。

那么级联放大器的总增益表达式：

（3.1.3）

设

，所以

，可得

。

对于本系统，必须满足

，选择电压反馈型运放时根据该级增益来确定增益带宽积，保证该级运放不限制级联系统的带宽。

3.2通频带内增益起伏控制

系统要求通频带内增益起伏≤1dB。

椭圆滤波器通带纹波

与反射系数

的关系式为：

，若减小

，则

会减小，但阻带衰减会减慢。

设计滤波器时折衷选取各参数，尽量减小通带纹波。

运放的增益误差也是决定通带内增益起伏的一个因素。

开环直流增益决定着运算放大器的精度，比如要保证增益误差在0.01％～0.1％以内，至少需要60～80dB的低频增益。

设计放大器时选择增益误差小的运放。

AD603的最大增益误差为0.5dB。

使用AD603时注意两点：

（1）AD603对控制电压非常敏感，对1、2脚用电容滤除纹波

（2）输入信号必须直接接在3、4脚上，否则影响精度。

通过调节5、7脚间的电阻值将通带内AD603的增益调平坦。

系统进行整机调试时再对全频带内的增益进行软件校正，通过微调AD603的增益保证通频带内增益的平坦度。

3.3线性相位

从系统的频率响应来看，要做到线性相位就是要求它的相频特性是一条直线。

线性相移的群延时为常数，一般用群延时的变化作为计算相位之非线性的准则。

设

为频率分量

的相位延时，则

的群延迟为

该频率分量的相位延时输出电压，

（3.3.1）

根据仿真波形（见附录1）可以看出本系统中所使用的椭圆滤波器是非线性相位的，实现线性相位的方法是使一个全通滤波器与一个满足设计的幅度特性的滤波器相级联。

3.4抑制直流零点漂移

放大器的静态工作点随外界环境特别是温度的变化会发生移动，把这种移动叫做零点漂移或温漂。

在多级放大器直接耦合的情况下，前级的零点漂移会被后面各级渐次放大，很可能将有效信号电压淹没，使放大电路无法正常工作。

应选用低温漂的放大器尤其是第一级，如选择高性能的差分运放。

运放的失调也要尽量小。

由于难以找到能够提取小信号的宽带差放，本系统采用自校零电路来抑制零点漂移，每次开机都自动进行一次软件调零。

本系统的零点漂移主要是由AD603引入的，将调零点设置在AD603之后。

3.5放大器稳定性

如果采用电流反馈放大器，就根据增益要求采用制造商推荐的反馈电阻值，反馈电阻的取值不仅决定了闭环带宽，还决定了放大器的稳定性，因此应兼顾二者。

当放大器工作在高频区或低频区时，电路的电抗元件和有源器件的电抗效应将会产生附加相移。

如果放大器为多极点反馈系统，在某一频率上产生的附加相移可能达到180°，这时虽在中频区引入的是负反馈，但在高频区或低频区将变为正反馈。

当正反馈信号增强到一定值时，就会产生自激。

设多极点反馈放大器的闭环增益函数为

（3.5.1）

如果当

时，

，放大电路就不会自激。

在实际应用中，要保证反馈放大器稳定工作必须使放大器远离自激状态。

这种远离程度用相位裕量

表示，其中

为相角交界频率。

工程上，

大于45°即认为电路是稳定的[2]。

第四章AD603可控增益放大器介绍

4.1AD603芯片介绍

AD603是AD公司研制的一种新型的运算放大器，它不但具有低噪声影响，高频带宽度，稳定性能好的特点，还具有电压控制的可变增益功能。

这种可变增益功能是其它运放所不能比拟的。

特