通用可变增益放大器

1、-加密号：加密号：学校编号：NEFU-B-001学校名称：东北林业大学队员姓名：姚金龙 连建君 谭婷赛点负责人：教务处章： 2008年8月17日通用可变增益放大器（B题）摘要本着简单、准确、可靠、通用的原则，采用了分级设计匹配互连的思想。本放大器系统分为前级放大部分、增益放大与控制电路部分、档位控制部分、后级稳压输出部分四部分。全系统采用单一的模拟电路方式，通过前级放大部分获得所需输入电压、输入阻抗等重要参数；通过拨码开关连接的反馈电阻进行精密全局控制，获得20dB至40dB之间分辨力不低于0.1%的可变增益范围；通过档位控制部分电路实现四个档位增益值转换，在衰减电路的作用下得到三个档位的增益

2、值，即20dB至0、0至20dB、20dB至40dB；最后通过后级稳压输出部分获得输出幅度不低于±8V的输出电压，此部分电路包括抑制零点漂移的调零电路。通过验证，本系统可以对输出电压数值的漂移，零点漂移等不良影响进行有效地抑制和降低。通过全面的调试和测量，使得本系统基本满足题目的基本部分和发挥部分的要求并融入了自己的创新思想，设计出了一个可控范围大、输出幅度高、稳定性好、抗干扰能力强、幅频特性好的通用可变增益放大器。目录摘要2 目录3 一、方案论证与比较4 1、前级放大部分42、增益放大与衰减控制电路43、后级电压输出5二、系统设计51、总体设计思路52、主要电路原理分析与计算6 2

3、1、前级放大电路6 22、增益放大与控制电路6 23、档位控制电路7 24、电压输出电路7三、系统测试方法与测试数据81、测试仪器82、测试方法与测试数据8 21、测前级放大电路8 22、测增益放大与控制电路8 23、各级电路调节好后，进行测量和详细记录83、测试结果分析9 31、测试结果分析9 32、误差分析9 33、 测试心得10四、总结10一、方案论证与比较1、前级放大部分 方案一：采用分立元件实现。此方案成本低，元器件易于得到，但是设计、调试难度过大，硬件电路连接与制作困难，在大赛规定的时间内很难保证作品的可靠性和指标，因此不予采用。方案二：采用集成运放设计。此方案用可编程放大器芯片级

4、联而成，电路简单，调试容易，指标和可靠性容易保证，因为OP37的幅频特性差，当放大倍数大于3时波形失真严重，THS3001的输入阻抗过低，经过多方面特性和通用性的比较与实际检测，选用高速宽带集成芯片OPA637可以满足此次放大器的设计要求，因此采用此方案。 2、增益放大与衰减控制电路 方案一：采用可编程放大器实现。此方案用单片机控制继电器，继电器控制相应的反馈电阻，四个档位，分辨力不低于0.1%，这对于单片机编程控制要求很高，而目前的编程能力有限，因此不予采用。 方案二：采用可编程控制放大器和衰减电路实现。此方案用单片机控制最后一档即1001000，得到0.1%的分辨力，用单片机的P口的高低电

5、平控制继电器，因为各个档位之间是十倍的对应关系，所以将可编程放大器芯片输出的信号接衰减电路，用拨码开关接通相应的衰减电阻，得到四个档位的增益变化，同时接有调零电路，很好的抑制了零点漂移，硬件电路连接方便，软件编程容易实现，电路图如图1所示，但是经过调试发现单片机的接入对整个放大器电路的干扰特别大，为保证稳定性和可靠性，决定放弃此套方案，不予采用。 图1 程控增益放大与控制电路 方案三：采用拨码开关实现。此方案用OPA637放大器芯片实现电压放大，方式为同相运算电路，放大电路的反馈为十个不同阻值的电阻串联而成，电阻由拨码开关控制，按照二进制的方式将十个电阻进行组合接入电路，得到在10100内分辨

6、力为0.1%的放大倍数，因为各个档位之间是十倍的对应关系，所以将放大器芯片输出的信号接衰减电路，用拨码开关接通相应的衰减电阻，得到四个档位的增益变化，同时接有调零电路，很好的抑制了零点漂移，硬件电路连接与制作简单，而且不会造成很大干扰，指标和可靠性容易保证，经过慎重考虑决定采用此方案。3、后级电压输出 方案一：采用分离元件实现。为保证高频端放大器的稳定性和带内幅度的平坦度，电压放大输出模块采用分立元器件构成的互补推挽和深度电压串联负反馈电路形式，得到较高的输出电压范围和相应的输出阻抗，分离元件的物理特性容易满足，性能比较稳定，连接电路图如图2所示，但是经过试验调试，此方案与前级放大器级联会使波

7、形产生严重的失真，因此不予采用。图2 后级电压输出电路图方案二：采用集成芯片实现。根据题目要求，放大器输出阻抗可开关设置为50或0，所以在后级输出部分级联一个电压跟随器，通过比较，AD817相比于OPA637能更好的满足题目的要求，因此采用此方案。二、系统设计1、总体设计思路图3 系统总体框图 根据题目的要求，结合考虑过的各种方案，充分发挥其优势，采用拨码开关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；系统前端增益放大部分需设一级OPA637程控增益放大器，实现输入阻抗变换和增益放大，同时接入了过压保护电路；根据增益步进的要求，需要采用拨码开关按照二进制方式控制增益值，再通过衰减

8、电路获得三个档位增益，根据输出电压幅度和输出阻抗的要求，后级电压输出采用AD817连成电压跟随器的方式，于是系统总体设计方案如图3所示。 输入信号通过转换开关获得大于10MW或50W的输入阻抗，并连接过压保护功能电路，前级放大电路运用OPA637芯片获得高性能的放大信号，此时的放大倍数为10倍，中间级芯片的反馈是由拨码开关控制的电阻构成，控制电路的放大倍数为110，通过二进制的方式获得0.1%的步进增益值，以满足题目要求，输出的信号再经过由拨码开关控制的衰减电路，获得三个不同档位增益，最后再由放大器芯片组成的稳压输出电路获得高输出幅值和所需输出阻抗，其中含有抑制零点漂移的调零电路，再运用衰减控

9、制电路得到其它档位增益值，整体电路成本低，电路工艺简单而独特。2、主要电路原理分析与计算21、前级放大电路 本部分运用一片OPA637集成芯片级联而成，为满足输入阻抗可开关设置为大于10M或50，将50的电阻用开关控制接入电路，因为OPA637是由高阻抗的CMOS管构成，所以用一个OPA637可以获得高阻抗，并连有两个二极管构成过压保护电路，电路图如图4所示。图4 十倍增益放大电路 放大倍数计算：已知A=1+Rf/R0，Rf=9k，R0=1k，可以计算出A=10。当接R1时，有A=12.25。22、增益放大与控制电路本部分电路由OPA637放大器构成的集成运放电路。此处的运放得到的增益范围是1

10、10，集成运放的反馈部分由拨码开关接有十个电阻，采用二进制计数的方式进行组合得到0.1%的步进增益值，因此只需计算出第一个电阻值就可以知道其它阻值了，如需要接通Rn（n = 09），则将对应的开关断开即将对应电阻接入电路反馈端，如要得到1.009的增益，由A =1+R1/R0，R0 =1K，计算得到R1=9，由二进制的特点可以算出R2=2R1=18，R10=2R9=4608，放大倍数为An = 1+Rn/R0，得到n=(An-1)*100，再将n值转换成二进制值对应到开关和电阻，表1例举了几个典型的增益电阻组合(其中“1”对应位的电阻接入电路作为负载)。电路图如图5所示。 图5增益放大与控制电

11、路 表1 增益电阻组合表G=10000000000G=60111110100G=20001100100G=71001011000G=30011001000G=81010111100G=40100101100G=91100100000G=50110010000G=10111000010023、档位控制电路档位衰减控制电路采用电阻串联的形式连接拨码开关，电路如图6所示，开关控制增益的三个档位范围，不衰减时输出值第三档最大是100，第二档最大是10，第一档最大是1，R1/（R1+R2+R3+R4）= (100 -10)/10，(R1+R2)/（R1+R2+R3+R4）=(100-1)/1，(R1+R

12、2+R3)/（R1+R2+R3+R4）=（100-0.1）/0.1，令R3=510，则可以计算出R1=51K，R2=5.1K，R4=56.7。图6 档位控制电路图24、电压输出电路 图7 电压输出电路 为了保证放大器在低频及直流最大不失真输入的情况下获得较高的输出幅值，在高增益宽带宽的前提下控制输出信号幅度的波动范围，较小输出波形的失真度，电压放大电路部分采用AD817的电压跟随器的电路形式，得到较高较稳的输出电压幅值和相应的输出阻抗，同时接有由分离元件构成的调零电路，具体电路如图7所示，经过精确计算得到各个电阻值，具体计算如下：U1-U2=UU1(1/R1+1/R2+1/Rw)-U2/Rw=

13、15/R1U2(1/R1+1/R2+1/Rw)-U1/Rw=-15/R1R1=1K，R2=5K可以得到Rw=100.三、系统测试方法与测试数据1、测试仪器表2 测试仪器仪器名称型号规格双踪示波器TDS2002/60MHz/1GS/s标准高频信号发生器QF1055A直流信号源EM1715万用表MY-652、测试方法与测试数据21、测前级放大电路。在直流电压下调节反馈电路中的电位器，使放大倍数为10。 22、测增益放大与控制电路。通过设置拨码开关，调节负载电阻串联的电位器，使负载阻值尽可能等于理论值。同理，调节衰减电路中的电位器。 23、各级电路调节好后，进行测量和详细记录。具体数据如表2和表3所

14、示。表3 基本部分测试数据信号输入输出范围。采用直流信号作为输入，将电压由0逐渐增大输入信号幅度Ui=08输出信号幅度Uo=10增益线性度直流信号每一档位采用5点测试Ui=2VG=0.200.400.600.801.00Uo=Ui=0.2V线性度0.9%G=2.04.06.08.010.0Uo=0.4090.8121.2101.6011.981Ui=0.2V线性度1%G=20406080100Uo=0.4300.8081.2081.6682.020信号带宽，输入正弦波信号Vp=20mV，放大100倍Fin=200kHzUo1=2.76V幅度波动1.156%Fin=400kHzUo2=2.76V

15、Fin=600kHzUo3=2.76VFin=800kHzUo4=2.76VFin=1MHzUo5=2.80V零点误差输入短路，G=100Uo=0.001V增益变化范围直流信号输入增益设定范围0100增益分辨力1%输入输出阻抗有无过压保护输入阻抗Rin>=10M有输入阻抗Rin=50有输出阻抗Rout=0有输出阻抗Rout=50有有无过压保护有表4 发挥部分测试数据信号输入输出范围，采用直流信号输入，将输入电压逐渐升高输入信号幅度Ui=8输出信号幅度Uo=10增益变化范围增益设定范围0100分辨力0.1%波形失真度测试，共测试四个频点Fin=1MHzD1=1.80%Fin=4MHzD2=

16、1.95%Fin=7MHzD3=2.1%电路成本、工艺本电路采用小型玻璃盒双层组装，工艺制作巧妙简单，而且元器件数量少，价格低廉特色与创新本电路完全采用模拟电路的形式，运用数字电路的思想达到所要求的增益范围3、测试结果分析31测试结果分析 增益：20dB 40dB（分辨力为0.1%）； 通频带宽：0 7MHz32误差分析 由于人为读数存在误差，测量仪器不精准、周围环境如磁场、温度等一系列因素的影响，测量的数据并不能理想的达到理论计算值，但是我们通过多次测量取平均值把误差降低到最小，整个电路系统由手工制作完成，无法实现严格的阻抗匹配，布线无法避免线路之间以及外界磁场的干扰，干扰抑制还有待提高，但是基本可以满足题目的要求。33 测试心得 在这次制作放大器并不断调试的过程中，我们充分了解了测试过程中应注意的问题，需要极高的耐性和极强的观察分析能力，对数据要有很高的敏感度，需要反复测试，得到多组数据，最后取它们的平均值。四、总结本系统带宽宽、增益范围大、模拟前端由2块高性能集成带宽宽、低噪声可变增益放大器OPA637级联而成，负责信号放大并与拨码开关配合实现了增益控制；为保证高频端放大器的稳定性和带内幅度的平坦度，电压输出模块则是采用高性能的AD817集成放大器芯片，得到较高的输出电压幅值和相应的输出阻抗；设计与制作中利用分级设计、匹配互连、数模搭配等技术，采用双层PCB板的安装固定，以