宽带直流放大器(C题).doc

编号：C甲1033宽带直流放大器（C题）参赛学生：耿建培 于安山 胡平学 校：山东大学学 院：物理学院指导老师：陈言俊 秦峰 王延伟文稿整理教师：陈言俊 宽带直流放大器（C题） 摘要：本系统采用高带宽，可控增益的运算放大器AD603为主要放大模块，AVR单片机ATmega16L为增益数控模块的控制器，设计出一套高带宽，增益高并可调节的直流放大器。系统硬件主要包括直接耦合多级放大器，噪声抑制电路，手动增益调节电路，数控增益调节电路，零漂抑制电路。数控增益调节电路包括主控制器mega16和D/A转换模块DAC902，本系统可实现对从直流到高频小信号的放大。经测试，信号放大稳定，完成了题目要求的各项指标。 Abstract: In the design of this system, high-bandwidth, gain-controllable op-amp AD603 is chosen as the main amplifier module, and AVR microcontroller ATmega16L is used to gain control of NC modules to design a set of high-bandwidth, high adjustable gaining DC amplifier. System hardware includes a direct-coupled multi-stage amplifier, noise suppression circuits, manual gain adjust circuitry, NC gain-adjusting circuit, zero-drift suppression circuitry. CNC gain adjustment circuit includes the main controller mega16 and D / A converter module DAC902, this system can realize the function of small-signal amplification from DC to high-frequency. After testing, signal amplification, stability, and the subject requirements of the indicators are well completed. 1系统方案的设计与论证 本系统设计预期达到的功能为增益能达到60dB以上且能放大010MHz的小信号。为此设计系统方案如下：方案一：采用直流信号、交流信号分离开来，分别进行放大的方法考虑到一般的集成运放都有其固定的增益带宽积，而且使用于不同频段的信号放大和衰减，首先使用滤波器对直流与交流信号进行分离，然后由不同的电路对不同信号进行放大，最后再合成同一路信号输出，末级用功率放大电路使输出电压有效值达到10V。该方案最大的问题在于即使是同样的运放，对直流和交流信号的放大倍数也是不同的，采用此方案，需要对电路进行复杂的设计，才能保证输出信号不失真。 方案二：采用集成运放级联，级间直接耦合的方法为了实现对从010MHz的信号的放大，可以以用运放进行级联，直接耦合，使电路既可处理直流信号，也可以处理交流信号。考虑到题目对增益带宽积要求很高，而且需要进行手动、自动设置增益，可以选择可控增益的运算放大器，后级进行信号功率的放大和输出。方案论证与选择：方案（一）电路设计复杂，电路之间容易产生干扰，信号经过不同电路后很难保证相位变化仍保持线性关系，信号失真明显。方案（二）使用可控增益放大器，容易实现增益控制的数字化，电路集成程度高，结构精简，较容易满足题目要求，故选择方案（二）。此方案的系统的原理框图如图1所示：增益控制电路功率放大电路滤波器微处理器MCU矩阵键盘显示模块直流稳压电源信号输入信号输出 图1 系统原理框图2 各电路模块方案设计： 21、增益控制电路部分 方案1：采用数字电位器取代反馈电阻的方法使用放大器UA741进行级联作为中间放大电路，采用电压反馈电路，通过改变反馈电阻来改变放大器的增益。该方案采用两级控制，调增益时比较麻烦，而且通用型放大器在级联时很容易产生附加噪声。 方案2：采用D/A集成芯片的方法为了易于实现最大增益60dB的调节，可以采用D/A芯片DAC0832的电阻网络改变反馈电压进而控制电路增益。DAC0832是廉价的8位D/A转换芯片，但其为电流型数模转换芯片，可以在DAC0832输出端接集成运放，利用DAC0832的引脚9将反馈电阻与运放组成负反馈电路，从而将数模转换信号由电流变为电压。然后在后级电路中通过负反馈电路对信号进行放大。但是带宽响应达不到10MHz，而且DAC0832输出电压有限，很难实现电压有效值10V的输出。 方案3：采用可控增益放大器AD603的方法为了实现题目对放大电路增益可控的要求，考虑直接用可调增益的运放，比较各种程控运放，AD603比较合适。AD603内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯形网络输入端的信号经衰减后，有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；这个参考电压可通过单片机ATmega16进行运算并控制D/A芯片输出控制电压得来，从而实现精确的数控。并且，AD603能够提供从直流到30MHz以上的工作带宽，可以提供超过60dB的增益。此方法电路集成度高，控制方便，易于数字化处理。方案论证与选定：方案1调整比较麻烦，而且UA741增益带宽积达不到题目要求。方案2带宽同样达不到要求，而且电压有效值不能达到10V。方案3能满足题目要求，故选择方案3.22功率放大电路部分：题目要求负载为（502）W，最大输出电压有效值大于10V，而AD603输出最大电压有效值是2V左右，所以需要在增益控制电路后加功率放大电路，才能满足题目要求。功率放大电路方案：采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。整个功放电路的电压增益在第一级，第二级进行电压合成和电流放大。23滤波电路部分：题目要求在增益预设时，通频带之外的信号应立刻衰减，即在功率放大电路后应有一滤波电路，保证增益预设的准确性。根据线性相位的有关概念，选择使信号相位线性衰减的有源低通滤波电路。3理论分析与计算： 31增益带宽积（以下简称带宽积）：AD603内部结构由增益控制界面、精确衰减器和固定增益放大器三部分组成。当AD603的引脚5与引脚7短接时，固定增益放大器的电压放大倍数为Au=1+=35.7=31(dB)整个AD603的增益为40Ug+10,当Ug在-0.5+0.5V范围内改变时，增益控制范围在-10dB30dB.题目发挥部分要求最大增益达到60dB，显然一级AD603满足不了要求，必须选用2片AD603级联构成增益控制放大器，其二级电压放大增益可计算得：Au =80 Ug+20（dB）当Ug在-0.5+0.5V范围内改变时，Au 变化范围为-2060dB，满足题目关于增益的要求。AD603在增益范围设为-1030dB时带宽可达90MHz，后级功放在20dB增益下带宽亦可达到25M，由公式 1.1可以算出整个电路在增益为60dB时的带宽为23.27M，符合题目要求。32通频带内增益起伏控制：由于AD603的内部结构，在由固定电压控制的情况下增益会有一些波动，因此要有自动增益控制电路，通过实时测量电路的增益来动态调节控制电压，达到增益稳定的目的。33线性相位：滤波器分为巴特沃斯、切比雪夫和贝塞尔三种类型，它们的Q值分别为0.707、1、0.56.本系统中要保证信号放大过程中不产生信号的失真，就要保证信号中各频率的信号相位衰减或提前的相位差相等，即滤波器需要采用保证线性相位差的滤波器。34抑制零点漂移：由于AD603的芯片没有调零端，无法通过控制调零端来实现抑制芯片零点漂移的功能，对于两级级联，前一级的零漂会被后一级放大，不同的增益会得到不同的放大结果，因此必须在外围电路增加抑制零漂的部分，且要考虑增益变化的影响，为此我们设置了两种方案。方案一：每一次调增益后，用按键将信号输入端接地，用A/D测量此时的末级AD603输出电压并将信号送给D/A，转换成模拟量并加到后级搭接的差分的一个输入端，而后将信号接在差分的另一端，这样就可以通过共模抑制将零点漂移抵消。方案二：直接在前级加上手动分压调节，通过手动调节电位器向信号加入一平均直流，以此来抵消零点漂移。方案一可实现自动调零但设计过于复杂，成本偏高，性价比会降低。方案二虽然需要手动调节，但设计简捷，成本很低，操作也不复杂，故选择方案二。35 放大器稳定性噪声、零漂等都会影响放大器的稳定，因此必须抑制噪声和零漂来提高放大器稳定性，零漂抑制见3.4，通过增加前级噪声抑制电路并采用低噪声的运放可很好的抑制噪声，AD603完全满足要求。4电路设计 41前置电路：AD603的输入电阻为100，已经满足了输入阻抗50的要求。故不需前级集成运放提高输入阻抗，同时也可以避免集成芯片产生的自激和噪声。 42中级放大电路：为提高带宽，此部分采用AD603典型接法中通频带最宽的一种（见图2），通频带为90MHz，增益为-1030dB，输入控制电压Ug的范围为-0.50.5V。图2 AD603典型电路43后级功率放大电路：功率放大电路方案：采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。（见图3）整个功放电路的电压增益在第一级，第二级进行电压合成和电流放大。图3 末级功放电路44控制与显示电路：题目发挥部分要求增加数控模块，故采用4*4矩阵键盘作为控制输入部分，单片机作为控制处理部分，CH451驱动数码管作为控制显示部分，DAC902作为最终控制部分构成控制与显示电路，单片机根据键盘输入的键值做出相应的增益步进调节，将处理后的信号送给DAC902转换成实际的控制电压，并将此调节后的理论增益值用数码管显示。（见附录图4和图5）4 5软件设计:本系统软件流程图图4 系统软件流程图5测试方法与测试结果51 测试仪器：扫频仪，数字示波器，低频信号发生器，高频信号发生器，4位半数字万用表。52 测试条件：测试环境：实验室条件下环境温度为常温25，无强电磁干扰，由市电220V 供电，通过自制直流稳压电源转化为5V ，15V，18V对系统供电。53 测试方案及结果：（1）测试输出电压有效值：使用信号发生器对本系统提供输入信号，注意控制输入信号的幅值，使用示波器对本系统的输出信号进行检测。（见表1）表1 输出电压测量测量次数输入信号电压（mV）输出信号电压（V）12013.721511.33109.6（2）测试3dB通频带已以及系统的增益控制范围：使用扫频仪对系统进行幅频特性曲线，以及在通频带内增益控制范围的测量。（见表2）表2 幅频特性与增益控制信号频率（Hz）实际增益（dB）预置增益（dB）误差（dB）061.6601.650061.1601.11k60.9600.910k61.0601.0100k60.8600.81M61.2601.22M60.7600.75M60.8600.88M60.9600.99M61.0601.010M58.660-1.4由测试结果可知，3dB通频带宽可达到10M，增益波动1dB，满足题目要求。54 测试结果分析：测试结果表明，本系统在通频带010MHz时达到了所设计的60dB最大增益,但从测试数据可以看出，在信号频率接近10MHz时信号的增益不再稳定的保持不变，开始出现了缓慢的衰减，推断此现象由AD603的最大增益决定，AD603两级级联，最大增益为60dB左右，所以，想要继续提高整个系统的增益需要进行多级级联，但如此很容易造成自激振荡或在电路内部产生噪声。6 总结： 本系统采用以高带宽、可控增益运算放大器AD603为主的多级放大电路模块，AVR单片机ATmega16L为主控制器的数控增益调节模块，设计构成了一套宽带直流放大器。此放大器增