电压控制增益可变放大器设计(VGA)设计(DOC)

题目: 电压控制增益可变放大器设计（VGA）设计216第四组摘要:基于压控增益放大器VCA822，设计一个能够对频率大于15MHz，幅值小于1V的信号进行调理的程控增益放大器。该放大器增益1758dB可调，具有自动增益控制的功能。放大器的输出端用宽带运放AD811和分立元件搭建的推挽电路，加强该放大器的驱动负载的能力。关键词：宽带放大器；VCA822；自动增益控制；推挽电路Abstract: Using FPGA as control core, a new method of designing a programmable gain amplifier which can handle with the signal that has the frequency more then 15MHz, and the amplitude less then 1V by using volt-controlling gain amplifier VCA822 is presented as following. The amplifier can be modulated from 10dB to 58dB, with the function of automatically controlling gain. The output side of this amplifier adopts the push-pull circuit constructed by wideband amplifier AD811 and discrete components, and enforces its ability of driving loads.Key words: wideband amplifier; VCA822; control of gain; push-pull circuit目 录1、系统方案比较与设计31.1总体方案论证31.2主放大器选择31.3中间放大级方案论证31.4末级功率放大器方案论证42、理论分析与计算52.1带宽增益积分析52.2输出电压幅值52.3放大器稳定性分析53、单元电路设计53.1前级缓冲电路53.2增益可调的中间放大级63.3末级功率放大74、系统测试73.1测试方法73.2测试步骤83.3所用仪器设备83.4数据记录85、结论86、参考文献87、附录81、系统方案比较与设计1.1总体方案论证分析VGA放大器设计要求的指标，增益调节范围为1758dB，带宽大于等于15MH，控制电压Vg= -1V+1V，Ri10M；当接50的负载，要求Vop10V。针对上述特点，我们将整个放大器分为三个模块：前置缓冲级，增益可调的中间放大级，末级功率放大级。系统整体框图如图1所示。其中难点是增益可调放大级和末级功率放大级，下面对这两个部分的方案分别进行设计论证。图1、系统整体框图1.2主放大器选择方案一：采用分立元件设计。此方案元器件成本低，但设计复杂度较大，并且由于受到众多寄生元件的影响，调试工程复杂且周期长，频率高时更突出。方案二：采用高速宽带集成运放组成多级运放电路。应用多级运放可以得到很大的增益，并且对单个运放的性能要求较低，系统总增益等于各运放增益的和，可以将信号放大和功率放大分开处理；带宽也比较好控制，可以选择多种耦合方式，充分的发挥出电路的性能；电路结构也比较简单，性价比也比较高。方案选择：由于题目要求的增益带宽积很大，性能要求比较高，所以选择方案二采用多级运放电路。1.3中间放大级方案论证方案一：采用三极管构成多级放大电路若用分立元件构成 58dB 放大器，则须采用三极管构成的多级放大器。此方案选材方便、成本较低。但是选择合适的三极管配对组合费时费力，并且题目给出的指标较高，三级管构成的多级放大器容易引起更多的干扰，影响放大质量。此外，晶体管构成的多级放大电路不易实现大范围的增益连续可调，这是相比于集成运算放大器的又一大缺点。方案一：采用带宽增益积大的运算放大器制作多级放大电路。以OPA842 和OP37为例，利用OPA842 带宽增益积大的特点，使输入的小信号充分放大，再用轨对轨运放TLV2462放大至有效值10V。这种方法采用电位器或者数字电位器连续调节放大倍数，设计简洁，但是要求-11V电压控制，难以实现。方案三：采用集成宽带的可调增益放大器。题目要求-11V电压控制，我们选择了宽带可控增益放大器VCA822，最大工作频带宽度可达150MHz，放大器增益由控制电压和外围电阻阻值共同决定，可以很好的满足需求。并且，VCA822采用电压控制放大，能够方便的通过单片机配合DAC控制。比较上述三种方案：方案一调整增益不便，方案二的难以实现题目要求的压控，方案三能够很好的满足要求，最终选择方案三。1.4末级功率放大器方案论证方案一：若采用分立元件，使用大功率、高速三极管推挽输出可以提高放大器的输出功率，驱动能力较强。但这种电路温度漂移严重，低频及直流时会严重影响输出效果。并且元器件较多，布线与调试繁琐、抗干扰能力较差。方案二：采用集成功率放大芯片，如AN7115。这种方法简洁，调节方便。但是集成功放一般用于音频放大，无法满足宽带要求。方案三：采用运放配合三极管实现。使用电流反馈型运放AD811和三极管2N3904和2N3906构成甲乙类互补对称功放电路，加入适当的反馈，即可提供大的电压增益和电流增益，从而达到宽带功放的目的。比较上述三种方式：使用分立元件有其优势，但是调试困难，低频响应与稳定性之间有矛盾，不适合作直流放大；集成功率放大器难以满足宽带放大要求；使用电压反馈型运放OPA642芯片配合三极管可以方便的实现了上述功能。最终选择方案三。2、理论分析与计算下面结合宽带放大器的各项指标，主要包括带宽增益，输出电压幅值，稳定性，线性相位分析4个方面，进行简要的理论分析计算，同时确定电路设计所需要的元器件。2.1带宽增益积分析由于多级放大电路的通频带比组成它的每一级的通频带窄，所以在芯片选型和电路设计中要分析带宽增益积，合理地配置各级的增益和带宽。主要指标分配为：（1）前置缓冲器：阻抗匹配，信号衰减一倍；AD818同向放大两倍，最终增益为0dB，带宽130MHz ；（2）中间放大级： -11V电压控制VCA822增益-2020dB，带宽60MHz ；OPA699增益等于29 dB，带宽33 MHz；VCA822和OPA699都要进行阻抗匹配，信号衰减2倍；最终增益-237dB。（3）末级放大级： 增益20dB，带宽20MHz。这样设计的宽带放大器增益范围大于1757dB，频带宽度大于15MHz。2.2输出电压幅值在015MHz 的通频带内，要求负载RL=50，VOP10V。（1）经计算得功率5W所以负载电阻需要大功率的水泥电阻。（2）输出电流2A，所以放大电路之后需要加一个功率放大电路。2.3放大器稳定性分析由于采用三级放大器级联的方式，为了减少高频自激和消振困难，电路布线尽可能短，还要注意阻抗匹配；同时，为了消除内阻引起的寄生震荡，还要在运放电源端就近接去耦电容。3、单元电路设计3.1前级缓冲电路图2、前级缓冲电路图前级输入信号由示波器提供，其中，示波器的有51的内阻，所以需要进行阻抗匹配，匹配信号源和传输线之间的阻抗，减少反射，避免振荡，通过电阻分压将信号衰减一半。AD818进行同相放大，增益 ：=1+ / =2最终使得3.2增益可调的中间放大级图3、增益可调的中间放大级电路中级放大器使用一片VCA811和一片OP699实现。宽带可控增益放大器VCA822，在控制电压的作用下，可实现精确的增益，且按线性变化。其基本增益：其中是-11V的控制电压，可以通过单片机通过AD转换控制输入，本课题直接通过电阻分压，通过调节定位器控制输入。VCA822后面接入OPA699，OPA699为高增益、高摆率宽带运放，其工作带宽可达到1000MHz，采用该器件设计增益G为30的放大器，完全满足带宽为15MHz的要求。 3.3末级功率放大图4、末级功率放大为了增加系统的带负载能力，考虑到运算放大器AD811自身负载驱动的限制，这里选用AD811配合高频中小型功率三极管2N3904（NPN型）和2N3906（PNP型）（两功率管特征频率）OCL功率放大器。前级由AD811组成反向相放大器：= / =6.5反向放大不需要进行阻抗匹配，可以避免增益的衰减。4、系统测试3.1测试方法1、频率不变，通过改变输入信号的大小，测量输出并记录数据，绘制增益控制特性曲线。2、输入信号不变，频率的大小，测量输出并记录数据，测试放大器的频率响应特性。3.2测试步骤1、从前级缓冲、中级放大、末级功放一级一级地检查地测量电路。2、每一级检查无误后开始连调。3、频率不变，通过改变输入信号的大小，用示波器测量输出并记录数据。 4、输入信号不变，频率的大小，用示波器测量输出并记录数据。3.3所用仪器设备电 源：直流稳压电源YB1732A/3A YB1732A/3A信 号 源：数字信号发生器 SPF20A SPF20A波形测量