宽带直流放大器

1、 宽带直流放大器宽带直流放大器2009年全国大学生电子设计大赛(C题)2009年全国大学生电子设计大赛一、赛题要求1基本要求（1）电压增益AV40dB，输入电压有效值Vi20mV。AV可在040dB范围内手动连续调节。（2）最大输出电压正弦波有效值Vo2V，输出信号波形无明显失真。（3）3dB通频带05MHz；在04MHz通频带内增益起伏1dB。 （4）放大器的输入电阻50，负载电阻（502）。（5）设计并制作满足放大器要求所用的直流稳压电源。2009年全国大学生电子设计大赛2 2发挥部分发挥部分（1 1）最大电压增益）最大电压增益A AV60dBV60dB，输入电压有效值，输入电压有效值V

2、Vi10 mVi10 mV。（2 2）在）在A AV V60dB60dB时，输出端噪声电压的峰峰值时，输出端噪声电压的峰峰值V VONPP0.3VONPP0.3V。（3 3）3dB3dB通频带通频带0 010MHz10MHz；在；在0 09MHz9MHz通频带内增益起伏通频带内增益起伏1dB1dB。（4 4）最大输出电压正弦波有效值）最大输出电压正弦波有效值V Vo10Vo10V，输出信号波形无，输出信号波形无明显失真。明显失真。 （5 5）进一步降低输入电压提高放大器的电压增益。）进一步降低输入电压提高放大器的电压增益。（6 6）电压增益）电压增益A AV V可预置并显示，预置范围为可预置并

3、显示，预置范围为0 060dB60dB，步距，步距为为5dB5dB（也可以连续调节）；放大器的带宽可预置并显示（至（也可以连续调节）；放大器的带宽可预置并显示（至少少5MHz5MHz、 10MHz 10MHz 两点）。两点）。（7 7）降低放大器的制作成本，提高电源效率。）降低放大器的制作成本，提高电源效率。（8 8）其他（例如改善放大器性能的其它措施等）。）其他（例如改善放大器性能的其它措施等）。一、赛题要求2009年全国大学生电子设计大赛二、评分标准2009年全国大学生电子设计大赛二、评分标准2009年全国大学生电子设计大赛三、试题分析及准备知识1 1、直流放大器：、直流放大器： 在自动控

4、制及自动测量系统中，需要把一些非电量（如温度、转速、压力）等参数通过传感器转变成电信号，这些微弱的电信号经放大后就可以推动测量、记录机构或控制执行机构，从而实现自动控制或自动测量。 这些电信号大都是变化极为缓慢、且极性固定不变的非周期性信号（直流信号），它需要直流放大器放大。 宽带直流放大器通频带必须从0开始 。2009年全国大学生电子设计大赛三、试题分析及准备知识2 2、电压增益：、电压增益： AV20LOG（Vo/Vi） 电压增益AV40dB，不是指输出电压幅值除以输入电压幅值，而是指20LOG（输出电压幅值/输入电压幅值），也就是输出输入电压的商的10为底的对数的20倍。 40db表示输

5、出电压与输入电压之比为100倍。 60db表示输出电压与输入电压之比为1000倍。2009年全国大学生电子设计大赛三、试题分析及准备知识3、通频带通频带： 用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。 下限截止频率fL：在信号频率下降到一定程度时，放大倍数的数值明显下降，使放大倍数的数值等于0.707倍的频率称为下限截止频率fL。 上限截止频率fH：信号频率上升到一定程度时，放大倍数的数值也将下降，使放大倍数的数值等于0.707倍的频率称为上限截止频率fH。2009年全国大学生电子设计大赛三、试题分析及准备知识 通频带fbw：fbwfHfL 或定义为：在信号传输系统中,系统输出信号从最大值衰减3

6、dB的信号频率为截止频率,上下截止频率之间的频带称为通频带,用BW表示。 通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。 通频带越窄，表明电路对通频带中心频率的选择能力越强。2009年全国大学生电子设计大赛三、试题分析及准备知识4、零点漂移零点漂移： 由于直流放大器直接耦合，其中有任何一点静态电位的变动，都有会经耦合放大后在输出中呈现出来，即使没有输入信号，由于温度的变化和电源电压不稳定的影响，输出端也会出现电压的缓慢变动，这种现象叫做零点漂移。 直流放大器中，前级的零点漂移会被逐级放大，以致在最后一级的输出端产生很大的漂移电压，而这种漂移信号与直流放大器所放大的缓慢变化的信号又十分相

7、似，所以当漂移严重时，就无法分辨清输出电压的变化性质，它究竟是由于输入信号的变化引起的，还是因零点漂移而造成的。2009年全国大学生电子设计大赛三、试题分析及准备知识5、线性相位线性相位： 假设某个频率的正弦信号通过一个系统的时间需要T，则这个信号的输出相位落后原来信号wT 的相位。则该信号被延迟了。 在实际系统中，一个输入信号可以分解为多个正弦信号的叠加，为了使得输出信号不会产生相位失真，必须要求它所包含的这些正弦信号通过系统的时间延迟是一样的,则要求落后的相位要正比于频率w。 从系统的频率响应来看，就是要求它的相频特性是一条直线。2009年全国大学生电子设计大赛四、方案选择与论证 分析设计

8、题目的各项要求，放大器的增益调节是本题的重点，而功率放大的设计是本题的难点，也是设计的重点之一。对此，做以下的方案选择与论证。1、可控增益放大器、可控增益放大器方案一：方案一：采用多级放大的级联实现可控增益放大。每一级设置不同的增益档位，通过模拟开关选择各级放大倍数实现信号的级联放大，最终实现的增益等于各级的增益之和。此方案实现原理简单，但需使用较多的模拟开关及和放大器且级联的运放较多，增加了系统的成本和不稳定性，尤其是各级的寄生电容等也会增加放大器级联调试的难度,降低放大器的稳定性，且难以实现放大器的增益的连续可调。2009年全国大学生电子设计大赛四、方案选择与论证方案二方案二: 采用可控增

9、益运放采用可控增益运放AD603 实现。实现。 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，由固定增益放大器输出，衰减量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，从而实现较精确的增益控制，或者使用外部滑动变阻器产生的模拟电压控制这个参考电压以实现增益的手动连续可调。此外AD603 能提供由直流到30MHz 以上的工作带宽，实际工作时可提供20dB以上的增益，配合前、后级的放大器和电阻衰减网络就可以实现60dB 以上的增益调节。 这种方案的优点是实现了增益的连续可调，易于控制，因此选

10、用方案二。2009年全国大学生电子设计大赛四、方案选择与论证2、功率放大器方案、功率放大器方案方案一：方案一：采用高频三极管等分立器件实现。三极管的使用灵活，成本比集成运放芯片低的多。但电路设计难度大，实际的调试过程也比较复杂，而且由于其分立元件的分布参数较大，增加了放大器的幅频特性的调试难度。方案二：方案二：采用驱动负载能力较大的放大器实现，如TI公司的THS3091、THS3095等芯片。该方法电路简单，增益可调，且可以通过运放并联的方法增加其驱动负载的能力。 方案二方案二比较常用，实现较简单，方便调试，因此选择方案二。2009年全国大学生电子设计大赛四、方案选择与论证3、放大器通频带内增

11、益起伏控制、放大器通频带内增益起伏控制 通频带内起伏控制主要含两个方面：放大器带内平坦度和滤波器幅频特性。1)各级放大带内平坦度分析： 系统使用AD603 做可控增益放大，但只使用了其中控幅线性度较好的20dB，并配合继电器切换其他几路固定增益放大实现增益的调节。基于10M 信号的固定增益放大的幅频特性良好，不会引入较大的起伏，实际测试时发现只有不大于0.3dB的起伏，所以为了达到题目要求，需重点做用来控制带宽的滤波器。2009年全国大学生电子设计大赛四、方案选择与论证2)滤波器的幅频特性: 基于题目要求的频率较高，对滤波器有三点要求：截止频率较高，通带内较平坦，从1 dB到3 dB做到尽量陡

12、峭。 基于这些要求，系统选择椭圆滤波器来实现不同带宽的切换。椭圆滤波器在有限频率上既有零点又有极点。极零点在通带内产生等波纹，这与切比雪夫类似。阻带内的有限传输零点减小了过渡区，从而获得极为陡峭的衰减特性曲线。2009年全国大学生电子设计大赛五、系统设计1、 系统整体框图设计系统整体框图设计系统整体框图设计2009年全国大学生电子设计大赛l为了提高系统直流稳压源的效率，系统选用多抽头的环形变压器，配合低压差低静态电流的稳压芯片来提高电源效率。l输入信号先经过阻抗匹配后直接进入40倍固定增益放大器OPA847,通过手动调节端对前级放大器引入的直流和直流零点漂移进行补偿，然后进入可控增放大模块。2

13、009年全国大学生电子设计大赛l可控增放大模块由AD603配合以几个固定增益档组成，实现了-14dB 86dB的手动或程控增益可调。其中由MSP430F449 单片机来控制双路数模转换器TLV5638实现了AD603的程控增益可调和整体后级放大模块引入的直流的软件补偿。l之后信号进入滤波器模块和功率放大电路，由单片机控制滤波器带宽限制模块，此部分是通过切换继电器实现的。最后一级功率放大器放大固定的增益14dB，最终实现了0dB100dB的增益调节范围。2009年全国大学生电子设计大赛2、放大器级联及各级增益设计放大器级联及各级增益设计 放大器级联设计总体分为以下三个部分，其中第一和第三部分均为

14、固定增益放大。1）前级放大电路设计）前级放大电路设计：采用TI 公司的低电压噪声芯片OPA847实现40倍的固定倍数放大。增益带宽积高达3.9GHz，在大于1MHz 的模拟输入电压噪声为0.85 nV并且有950V/s的摆率。在放大器的输入端使用滑动变阻器R6实现了手动失调电压等的补偿。2009年全国大学生电子设计大赛 2）可控增益放大电路：此部分共使用了三个继电器和四片高性能运放实现了100dB的增益调节范围。号继电器实现了0dB和-26dB的固定增益切换，号继电器实现了0dB和-40dB 的固定增益切换，号继电器实现了0dB和-20dB 的固定增益切换。AD603 实现了0dB20dB 的

15、增益调节，THS3001则实现了20dB的固定增益放大。2009年全国大学生电子设计大赛2009年全国大学生电子设计大赛nAD603AD603n当脚5和脚7短接时，AD603的增益为40Vg+10，这时的增益范围在-1030dB。当脚5和脚7断开时，其增益为40Vg+30，这时的增益范围为1050dB。如果在5脚和7脚接上电阻，其增益范围将处于上述两者之间。nAD603的增益控制接口的输入阻抗很高，在多通道或级联应用中，一个控制电压可以驱动多个运放；同时，其增益控制接口还具有差分输入能力，设计时可根据信号电平和极性选择合适的控制方案。n参见AD603数据手册2009年全国大学生电子设计大赛3

16、3）末级功率放大电路：）末级功率放大电路： 信号经过滤波器以后进入功率放大模块。功率放大采用三级THS3091并联的形式以增强运放的驱动负载的能力。三级运放尽量做到对称，输出端都串联2R的小电阻，起动均衡运放输出电流的作用。2009年全国大学生电子设计大赛3、 直流稳压源设计直流稳压源设计 题目要求制作高效率的直流稳压电源，系统选用高效率的环形变压器。基于系统由18V，15V, 12V 和5V 供电，而每一路均要考虑到用低压差的线性稳压芯片，所以系统设计了4 组绕阻，分别经过整流桥产生21V，17.5V, 14.5V 和6.5V 直流电压，再分别经过8 片稳压芯片得到系统需要的稳压源。芯片选用线性公司的 LT1963、LT1175，都具有低压差和低静态工作电流的性能。2009年全国大学生电子设计大赛4、椭圆滤波器电路、椭圆滤波器电路2009年全国大学生电子设计大赛5、软件程序设计、软件程序设计 系统的程序控制部分由单片机SP430F449完成，主要用来控制继电器的切换实现不同增益档的切换和滤波器的选择，控制TLV5638的两路模拟输出电平，一路产生AD603的控制电压一路对