03年国赛宽带放大器.docx

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03年国赛宽带放大器

本设计由三个模块电路构成：

前级放大电路（带AGC部分）、后级放大电路和单片机显示与控制模块。

在前级放大电路中，用宽带运算放大器AD603两级级联放大输入信号，输出放大一定倍数的电压，经过后级放大电路达到大于8V的有效值输出。

ADUC812的单片机显示、控制和数据处理模块除可以程控调节放大器的增益外，还可以实时显示输出电压有效值。

　　本设计采用高级压控增益器件，进行合理的级联和阻抗匹配，加入后级负反馈互补输出级，全面提高了增益带宽积和输出电压幅度。

应用单片机和数字信号处理技术对增益进行预置和控制，AGC稳定性好，可控范围大，完成了题目的所有基本和发挥要求。

　　方案论证与比较

　　1.可控增益放大器部分

　　方案一简单的放大电路可以由三极管搭接的放大电路实现,图1为分立元件放大器电路图。

为了满足增益60dB的要求，可以采用多级放大电路实现。

对电路输出用二极管检波产生反馈电压调节前级电路实现自动增益的调节。

本方案由于大量采用分立元件，如三极管等，电路比较复杂，工作点难于调整，尤其增益的定量调节非常困难。

此外，由于采用多级放大，电路稳定性差，容易产生自激现象。

　　方案二为了易于实现最大60dB增益的调节，可以采用D/A芯片AD7520的电阻权网络改变反馈电压进而控制电路增益。

又考虑到AD7520是一种廉价型的10位D／A转换芯片，其输出Vout=Dn×Vref/210，其中Dn为10位数字量输入的二进制值，可满足210=1024挡增益调节，满足题目的精度要求。

它由CMOS电流开关和梯形电阻网络构成，具有结构简单、精确度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点，故可以采用AD7520来实现信号的程控衰减。

但由于AD7520对输入参考电压Vref有一定幅度要求，为使输入信号在mV～V每一数量级都有较精确的增益，最好使信号在到达AD7520前经过一个适应性的幅度放大调整，再通过AD7520衰减后进行相应的后级放大，并使前后级增益积为1024，与AD7520的衰减分母抵消，即可实现程控放大。

但AD7520对输入范围有要求，具体实现起来比较复杂，而且转化非线性误差大，带宽只有几kHz，不能满足频带要求。

　　方案三根据题目对放大电路的增益可控的要求，考虑直接选取可调增益的运放实现，如运放AD603。

其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯型网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定；而这个参考电压可通过单片机进行运算并控制D/A芯片输出控制电压得来，从而实现较精确的数控。

此外AD603能提供由直流到30MHz以上的工作带宽，单级实际工作时可提供超过20dB的增益，两级级联后即可得到40dB以上的增益，通过后级放大器放大输出，在高频时也可提供超过60dB的增益。

这种方法的优点是电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化用单片机处理。

　　2.后级固定增益部分

　　由两片AD603级联构成的前级放大电路，对不同大小的输入信号进行前级放大。

由于AD603的最大输出电压较小，不能满足题目要求，所以前级放大信号需经过后级放大达到更高的输出有效值。

　　方案一使用集成电路芯片。

使用集成电路芯片电路简单、使用方便、性能稳定、有详细的文档说明。

可是题目要求输出6V以上有效值，而在电子市场很难买到这样的芯片，而我们买到的如AD811，HA-2539等芯片，虽然输出电压幅度能满足要求，但是很容易发生工作不稳定的情况。

　　方案二使用分立元件自行搭建后级放大器。

使用分立元件设计困难，调试繁琐，可是却可以经过计算得到最合适的输入输出阻抗、放大倍数等参数，电阻电容可根据需要更换，在此时看来较集成电路灵活。

因此，我们决定自行设计后级放大器。

　　系统设计

　　1.总体设计思路

　　根据题目的要求，结合考虑过的各种方案，我们认真取舍，充分利用模拟和数字系统各自的优点，发挥其优势，采用单片机预置和控制放大器增益的方法，大大提高了系统的精度和可控性；后级放大器使用由分立元件设计的推挽互补输出放大器，提高了输出电压有效值。

我们使信号都在单片机的数字算法控制下得到最合理的前级放大，使其放大倍数精确。

图2所示即为本系统原理框图。

　　输入信号通过前级可控增益放大，放大倍数由单片机通过D/A转换提供的电压控制。

AD603的Vg（=V1-V2）根据公式：

增益GAIN=40×Vg+20（dB）来设定，而在AGC模式下，此控制电压Vg是由AGC电路的反馈电压得到，不受单片机控制。

经过前级放大后的信号最后经过后级放大得到需要的输出信号，前级和后级增益的搭配，都是经过精确的测量和计算的。

输出电压经峰值检波电路得到，反馈到单片机，经运算和线性补偿得到有效值，同时单片机推动数码管显示出来。

　　2．主要电路原理分析

（1）直流稳压电源本电源采用桥式全波整流、大电容滤波、三端稳压器件稳压的方法，产生各种直流电压，如正负15V,正负5V等都可以买到相应的固定输出的三端稳压芯片，如LM7815、LM7805。

而电子市场上没有我们要求的前级和后级放大器所需要的+10V和+30V固定输出的三端稳压器件，所以我们采用LM317T可变输出的稳压芯片，典型电路图如图3。

　　交流输入经过电容滤波后的稳定的直流电送到三端稳压集成电路LM317T的Vin端。

LM317T是这样工作的：

由Vin端给它提供工作电压以后，它便可以保持其+Vout端比其ADJ端的电压高1.25V。

因此，我们只需用极小的电流来调整ADJ端的电压，便可在+Vout端得到比较大的电流输出，并且电压比ADJ端高出恒定的1.25V。

　　在LM317T的ADJ端加一个接地的滤波电容，会使纹波抑制比大幅度地提高，给高频小信号运算放大器提供非常稳定的电源。

二极管的作用是当有意外情况使得LM317T的输入电压比输出电压还低的时候防止从输入端上有电流倒灌入LM317T引起其损坏。

其电源电路见本刊网站。

（2）前级放大器和AGCAD603为单通道、低噪声、增益变化范围连续可调的可控增益放大器。

带宽90MHz时增益变化范围为-11～+3ldB；带宽为9MHz时为9～51dB。

增益变化范围可分三种模式进行控制：

当5脚与7脚断开时，增益变化范围为9～51dB,当5脚与7脚短接时，增益变化范因为-11～+3ldB,当5脚与7脚之间接一电阻时，可使增益变化范围进行平移。

　　AD603的简化原理框图如图4所示，它由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。

图中加在梯型网络输入端（VINP）的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。

增益的调整与其自身电压值无关，而仅与其差值Vg有关，由于控制电压GPOS/GNEG端的输入电阻高达50MΩ，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。

以上特点很适合构成程控增益放大器。

为了增大控制范围，我们采取两级AD603级联的方法，如图5所示。

　　使用AD603制作前置放大器时，主要考虑了共模干扰问题。

前置放大器采用单端输入方式，这时要求运算放大器的另一个输入端与信号输入端阻抗平衡，否则在相位相同的电磁干扰情况下，将产生共模信号输出。

　　AD603输入阻抗为100Ω，低的输入阻抗将带来如功率、阻抗匹配等若干问题，因此我们在输入前级用三极管搭设了射极跟随器，用以提高输入阻抗。

根据公式：

Rin≈βRe,我们取β=150的高频三极管，取Re=1kΩ，使输入阻抗大于150kΩ。

　　有时由于接收环境的不同、外界干扰的影响，接收到信号的强弱可能变化很大。

特别是传输图像信号时，由于频带宽、电磁干扰严重，不可能无畸变地远距离传输。

当信号较弱时，图像的对比度变小，清晰度差且同步不稳定，无法成像；当信号较强时，会使后级接收端放大器进入饱和区和截止区，导致信号严重失真，而且还会将同步脉冲切割掉，得不到良好的图像。

　　为了较好地解决这个问题，可使用自动增益控制电路，即AGC电路。

它取出放大器输出的峰值作为增益的控制电压，使最终输出的电压信号保持在某一峰峰值之间，输出较稳定的视频信号。

　　在图5中，两级AD603可构成具有自动增益控制的放大电路，图中由2N3904和R7组成一个检波器，用于检测输出信号幅度的变化。

由C11形成自动增益控制电压Vagc，流进电容C11的电流为2N3906和2N3904两管的集电极电流之差，而且其大小随第二级AD603输出信号的幅度大小变化而变化，这使得加在两级放大器1脚的自动增益控制电压Vagc随输出信号幅度变化而变化，从而达到自动调整放大器增益的目的。

　　为了去除50Hz工频干扰和其它低频干扰，我们在两级AD603中作了巧妙的处理，级间加入的串联电容可以与AD603的输入阻抗形成一个高通滤波器，转折频率为1/2πRC,其中R为AD603的输入阻抗100Ω，C为典型的104磁片电容，得结果约15kHz，经测试正好满足衰减3dB起始点为10kHz，从20kHz开始幅频特性曲线平坦的要求。

　　（3）手动增益预置和控制的实现开环增益手动控制的基本思路是由单片机数字程控，经D/A转换产生控制输出电压，加到图5中两块AD603的1脚来控制。

我们本想利用ADUC812单片机自带的D/A转换功能，但经实践发现其D/A输出很不稳定，难以滤除，而控制电压要求纹波非常小，否则就会给输出信号带来很大噪声。

故我们改变了设计，考虑使用电阻网络AD7520进行控制，其原理如图6所示。

单片机通过74LS373给AD7520赋值，电阻R0用于调节AD7520的参考电压，从而由AMP1得到D/A结果，再由AMP2幅度搬移至前放所需的控制电压-0.5～+0.5V之间，提供给AD603。

　　（4）后级放大原理图7为后级放大电路图，它是PSPICE电路仿真时候的电路图，可见本电路是一个典型的单电源供电的对称互补电路。

三极管选用的是B649A和D669A高频孪生对管，T1、T2组成前置放大级，T3、T4组成对称输出级。

在输入信号为0时，调整R1的阻值，可以供给三极管适当的偏置，从而使R9和R10间的电位为Vcc/2。

　　静态时，通常输出点电位为Vcc/2，为了保证电路工作点的稳定性，我们使用R9、R10和C5将输出端和T1、T2输入端相连，以引入负反馈。

　　晶体管的ft在很大程度上决定了放大器的带宽。

因为有源负载的频率特性和噪声特性较差，因此我们在电路中采用电阻做负载。

使用分立元件制作后级放大器时，在指标允许的情况下，我们尽量降低输入阻抗，以减少空间辐射带来的干扰。

　　（5）峰值检波电路图8为峰值检波电路。

峰值检波有两种方案，第一种是使用AD637。

　　AD637真有效值检测器将输出的交流信号取样回来转换为直流，经过单片机的A/D转换后，显示在数码管上。

输入电压不大的时候，AD637尚可正常工作；但是，当输出为最大到8V有效值的电压时，AD637工作将不正常，并且，随着频率的不同，AD637的工作状态会有所不同，所以不宜使用。

另一种方案是，取样回来的输出电压经过二极管和电容进行峰值检波，并经过高精度运算放大器进行衰减和保持后输入A/D转换器转换为数字信号进行显示，这样精度可以得到保证，不过会有一定的管压降，使用检波用肖特基二极管大概会有0.2V压降，完全可以通过单片机进行显示上的补偿。

　　（6）单片机系统单片机是整个放大器控制的核心部分，它主要完成以下功能：

接收用户按键信息以控制增益；接收峰值检波电路的反馈电压以计算有效值；对AD603的增益控制电压进行控制。

程序流程图如图9所示。

各个功能由不同的模块实现：

　　键盘检测模块记录用户对键盘的操作，将设定的增益数值记录下来。

　　控制电压模块根据用户对增益的设置，查表得到对D/A转换器的控制字串，输出给D/A转换器以产生精确的控制电压。

　　有效值模块由于输入输出是标准的正弦信号，峰值检波电压值根据经验公式Vmax=√2Vrms计算，并经过线性修正得到有效值，经测试显示误差不超过0.5%。

　　显示模块按用户需要将预置增益值或者有效值显现在数码管上。

　　总结

　　通过对输入输出、频带、增益、AGC等各方面的测试，我们得到了如附表所列的性能。

　　专家点评：

作品包括模拟和数字两大部分，采用集成电路与分立元器件结合的方案，集中了各自优势，收到设计简单、性能优良、实现较容易等效果。

其中模拟前端由两块高性能集成宽带、低噪声可变增益放大器AD603级联而成，负责信号放大并与单片机电路配合实现了增益控制；后级功率输出模块采用分立元器件构成，得到较高的输出电压范围；系统控制模块以ADUC812单片机为主，可完成增益设定、电压有效值计算和相关信息显示等功能。

　　系统采用电压反馈控制方式实现了自动增益控制，AGC范围较宽。

设计与制作中利用数模隔离、电源隔离、滤波和去耦等技术，以及PCB板合理布线、级间阻抗匹配和软件算法误差补偿等措施，有效减少了噪声和干扰的影响，同时提高了系统的稳定性。

　　设计方案论证充分，各级电路参数确定、阻抗匹配设计合理；系统完成的功能完备，增益、带宽等主要指标均达到题目的要求。

　　设计中还应进一步注意高频放大器增益与带宽之间的关系，从题目要求出发，二者兼顾，以获取更好的带宽性能。

　　点评专家刘开华，天津大学电子信息工程学院教授，全国大学生电子设计竞赛专家组成员。

2003年全国大学生电子设计竞赛B题，即宽带放大器，湖北赛区参赛队只有13队应试，占本赛区参赛队总数的5.7%；但全国唯一的索尼杯奖却由该题参赛队获得。

本文试图从对题意的领会、典型高速宽带运放AD603性能介绍及典型设计方案示例三个方面作粗浅释析，意在交流、切磋并望赐教。

　　对题意的领会

　　对于题目基本部分和发挥部分的要求，最好将其分类、归纳，与教学训练内容结合起来，以便把握操作。

现将宽带放大器需要满足的技术指标整理如下：

　　1.带宽3dB通频带为10kHz～6MHz，可以扩展。

　　2.增益

（1）最小值为10dB，基本指标为40dB，最大值≥60dB。

（2）可步进调节，在10～58dB范围内，步进间隔为6dB；要求更高时，步进间隔为2dB。

（3）可预置增益值，并显示。

（4）预置增益值与实测增益值的误差要求：

在步进间隔为6dB时，误差小于2dB；在步进间隔为2dB时误差小于1dB。

（5）带内增益平坦度要求：

在增益为40dB时，在20kHz～5MHz范围内，增益起伏小于1dB。

（6）自动增益控制要求：

在4.5V≤V0≤5.5V范围内，AGC范围≥20dB，即输入信号的ViH/ViL大于12.2倍。

　　3.最大输入电压幅度（有效值）

（1）基本要求≥3V；

（2）扩展要求≥6.5V；（3）数字显示正弦电压有效值。

　　4.噪声性能在AV=58dB时，输出噪声峰－峰值不大于0.5V。

　　5.输入阻抗≥1kΩ；负载电阻为600Ω；单端输入、单端输出。

　　6.进一步提高各项技术指标，扩展功能。

　　对题意要求作了如上整理后，在作总体方案设计时，至少有三点思路易于明确：

（1）器件选择必须选择宽带、低噪、增益可程控放大的器件，且这类器件必须从新型的高速宽带运算放大器中去寻找；分立元件很难奏效。

（2）硬件系统；根据最大输出电压幅度和最大增益要求，系统可分为3级、2级或1级（满足基本要求）来实现，每级的增益分配都不会太大，易于实现。

　　（3）增益指标这一项，内容较复杂，但主要都是依靠编程技术来完成。

对多数参赛学员来说，这个问题现在已不算太困难。

因此，在完成本题任务时，对题意的分析、整理，显得非常重要。

　　AD603运放性能介绍

　　由上可见，完成本题的关键在于选择好宽带、低噪、增益可控制的放大器件。

从本次竞赛作品的测评中看，有的作品正是这样做了，如选择AD603、UA733等，因而取得的成绩较好。

这里侧重介绍一下高速宽带运放AD603的有关技术性能。

　　1.AD603的特性

　　图1为AD603的引脚图，表1为其引脚功能，图2为AD603原理框图，图3为其最大增益与Rx之间的关系。

这些图表对了解AD603的电气性能非常有用。

　　2.电气性能

（1）增益特性

　　①固定增益上限Av（0）：

与5、7脚之间的外接电阻Rx有关，Rx=0（5、7脚短接），Av（0）max=30dB。

Rx=6.44kΩ，Av（0）max=50dB。

所以，固定增益的上限为（30～50）dB。

　　②增益衰减范围：

由内部R-2R精密梯形网络实现，R=100Ω，每节衰减6dB，共有7节，总的衰减能力约40dB。

可见运放的增益在其上限之下，有40dB的可调范围。

　　③增益控制调节方法：

1、2脚都是其控制电压Vg的接入端，由Vg控制内部衰减网络的无级变化，从而实现40dB范围内任一步进间隔的增益调节；Vg是1、2脚之间的电位差，范围是[-0.5V,0.5V]，超出该范围时，Vg的作用与区间端电压相同；在Vg控制下，放大器的对数增益（以分贝表示）与Vg成线性关系（Vg的单位为V）：

Av（Vg）=40Vg+（Gmax-20）（dB）。

　　例如：

当Rx=0，Gmax=30dB,Vg∈[-0.5V，0.5V]时,AV（Vg）范围为:

-10~30dB。

当调节范围超过40dB时,需用级联方式解决。

　　另外，控制端1、2脚之间输入电阻达50MΩ，对Vg接入电路不会产生影响；在内部，1、2脚与信号输入端3、4脚之间无电的联系。

因此，Vg调节增益是独立进行的。

（2）带宽当Gmax=30dB时，BW0.7=90MHz；当Gmax=50dB时，BW0.7=9MHz，即单位增益带宽接近3GHz；带内增益起伏小于0.5dB；大信号电压转换速率：

275V/μs。

　　（3）低噪声性能1.3nV/Hz。

故即使在100MHz频带里，噪声峰-峰值也仅0.13V左右。

　　（4）输入电阻100Ω。

这是由其R-2R网络决定的。

因此为提高输入阻抗，可采用宽带运放跟随器作输入级。

　　（5）极限参数及应用范围表2为AD603极限参数及应用范围。

　　3.使用注意事项

（1）输入信号必须直接接在3、4脚上，否则影响精度。

（2）参考电压必须非常稳定。

（3）信号输入端宜加保护电路，以防过压输入。

（4）容易自激。

电源和地之间加去耦电容，各级电源之间加电感线圈隔离。

（5）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。

（6）前后级易产生电磁耦合，必要时需用铜屏蔽盒隔离。

（7）级联运用时，因为Ri2=100Ω，为防止后级输入过流，应采取保护措施。

（8）在5脚上加接4.7μF电容接地，可适当提升高频分量，改善幅频特性。

　　由上可见，如果了解了AD603的有关性能，对完成本题任务中硬件系统的设计与制作，心中就大抵有了底。

　　典型设计方案示例

　　1.总体设计方案

　　根据带宽、增益调节范围（≥48dB）、输入阻抗、噪声等项要求，系统前端电压放大部分需设一级宽带跟随器和两级AD603程控增益放大器；根据输出电压幅度的要求，需再加一级大信号宽带电压放大器；根据增益控制调节、自动增益控制范围、测量并显示输出电压有效值等要求，需要设置单片机小系统和有关检测电路。

于是系统总体设计方案可如图4所示。

　　各级增益的分配可由实验确定，末级增益在6~20dB之间（即2~10倍）即可满足题意要求。

　　有效值测量可有多种实现方案，但选用测量有效值的专用芯片AD637，则简洁方便，可满足本题要求（有关资料可自查）。

　　A/D与D/A的工作频率均不高，题目对测量精度的要求也不算高，因此，可选择8位的ADC0809和DAC0832。

同时，单片机的任务并不算太多，亦可采用89C51类的普通芯片即可。

　　2.前端放大电路

　　根据上述AD603芯片的特点，可将前端放大器简要设计如图5所示。

　　前端跟随器选用OPA642，其截止频率达400MHz，跟随线性度好；输入电压允许值与AD603相同。

这样，使系统输入阻抗远大于1kΩ的要求。

　　3.末级大信号放大电路

　　为保证高频端放大器的稳定性和带内幅度的平坦度，宜采用互补推挽和深度电压串联负反馈电路形式。

典型电路如图6所示。

　　高频晶体管2N3904为NPN型，2N3906为PNP型，是配对的互补管，特征频率fT达200MHz，能保证系统性能要求。

由于是深度电压串联负反馈，故输入阻抗较高，输出阻抗低，适合与前端放大器和负载连接。

　　由图可见，本级AVf≈1/kfV=1+（R10/R9），如R9、R10为图中标注值，则AVf=11，约合20dB。

　　所有电容，均是为了电源去耦或改善频率特性的。

　　4.一组典型测试数据

　　表3为频率特性测试数据，表4为步进增益误差测试数据，表5为AGC控制测试数据。

　　5.安装调试注意事项

（1）设计的电路宜先作仿真，特别是频率特性与波形失真，要不出现明显误差；

（2）电路板安装应尽量紧凑；（3）数字地与模拟地之间加接电感线圈，防止自激与干扰；（4）前端与末级放大器电路要分别加屏蔽盒，各接口以同轴电缆连接，同轴线外层和盒体应接地。

　　结束语

　　模拟电子线路的主要知识点有三点，即放大器、振荡器和调制/解调器，而后二者也多是以放大器为基础的，所以放大器实际上是模拟电子线路最重要最基本的知识点。

而对放大器而言，最主要的反映当前新技术、新器件应用的就是运算放大器：

高速宽带、增益可程控、低噪声、高输入阻抗、高共模抑制比。

本次竞赛题“宽带放大器”，可以说正是切中了这一主要知识点的诸多主要方面；同时该题还需应用A/D、D/A、单片机等数字化技术与微机技术，较好地体现了当前“模拟的系统概念加数字化的处理技术”这一个电子技术发展的总趋势；另一方面，据统计，这次竞赛题中模拟分量占较大比重的A、B两题，在全国2980个参赛队中亦仅占6%，不到180个队，可见模拟电子技术的教和学（包括实践训练），都不同程度地存在偏离上述电子技术发展总趋势的现象，值得引起各方面注意。

综上所述，“宽带放大器”题目反映了出题专家组的独具匠心；全国大学生电子设计竞赛在引导和促进电子信息类专业的深化教学改革上，确实已经发挥和必将继续发挥重要的作用。