宽带放大器设计

1、宽带放大器设计(2003年全国大学生电子设计竞赛B题)題目要求一*任务设计并制作一个宽带放大器。二、要求基本要求输入阻抗21kG;单端输入，单端输出；放大器负载电阻6000。3dB通频带10kHz-6MHz,在20kHz-5MHz频带内，增益起伏SldB。最大增益40dB,增益调节范围1040dB(增益值6级可调,步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值S2dB)，需显示预置增益值。最大输出电压有效值N3V,数字显示输出正弦电压有效值。自制放大器所蕭的稳压电源。題目要求二、要求发挥部分最大输出电压有效值N6V。IU(2)最大增益58dB(3dB带宽lOkHZ6MHz,在20kHz5MHz

2、频带内拓益起伏SldB),增益调节范围1058dB(增益值9级可调，步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值2dB)S显示预置增益值。增加自动增益控制(AGC)功能，AGC范围70dB,在AGC稳定范围内输出电压有效值应稳定在4.5VUo5.5V内(详见说明4)。(4)输出噪声电压峰一峰值VppS05V。进一步扩展频带.提高增益.提高输出电压幅度.扩大AGC范围.减小增益调节步进间隔。其他。題目要求三、评分标准论文50分，完成基本要求制作部分50分，发挥部分50分。四、说明基本要求部分第项和发挥部分第项的增益步进级数对照表见下表。增益步进级数1234578&预置增益值/dB1016222

3、83440465258发挥部分第项的测试条件为：输入交流短路，增益为58dB。题目要求四、说明宽带放大器幅频特性测试框图如图9.4.1所示。(4)AGC电路常用在接收机的中频或视频放大器中，其作用是当输人信号较强时，使放大器增益自动降低；当信号较弱时，又使其增益自动增高，从而保证在AGC作用范围内输出电压的均匀性，故AGC电路实质是一个负反馈电路。要求输出电压有效值稳定在45VUo4.5V.Uoh9V（进一另发挥）3dB通频带：10kHz6MHz，在20kHz-5MHz频率内增益起伏SldB（基本要求）；进一步展宽通频带（发挥部分）。题哥分析（4）增益.增益控制范围.步进及误差:最大增益40d

4、B,增益调节范围1040dB，步进间隔6dB,误差S2dB，需要显示预置值（基本要求）。最大增益58dB,增益调节范围1058dB,步进间隔6dB,误差S2dB,需要显示预置值（发挥部分）。进一步提高增益，进一步扩大增益调节范围，减小步进间隔（发挥部分）。AGC范围：70dB不扩展（发挥部分）（输出电压有效值稳定在4.5VUo5.5V）（6）输出噪声电压峰一峰值Vp-pS0.5V（7）自制放大器所需的稳压电源其他方案论证及上匕较、总体方框图及指标分配本系统原理方框图如图所示，由前置放大器、中间放大器.末级功率放大器.控制器、真有效值测量单元.键盘.Iniif显示器及自制稳压电源等组成。方案论证

5、及上匕较方案论证及上匕较一、总体方框图及指标分配其中前置放大器、中间放大器、末级功率放大器构成了信号通道。其主要技术指标分配见下表。数讥地益A./dB频带宽度Bw/MHx前置级0100中前级206060末级2020系统总指标08010本设计有三个重点和难点：一是增益控制；二是自动增益AGC控制；三是末级功率放大器的设计。方亲论证及此轶一、增益控制部分方案一：釆用数字电位器取代反馈电阻的方法中间放大器和末级功率放大器均采用电压负反馈电路,通过改变反馈电阻来改变放大器的增益。例如采用1024个滑动端位置的数字电位器X9110或X9111o该方案采用两级控制比较麻烦。方案二：釆用D/A集成芯片的方法

6、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，输出Uout=DnxUref/210,其中D“为10位数字量输入的二进制值，可满足2io=lO24档增益调节，满足题目的精度要求。方亲港证及比较二、增益控制部分方亲港证及比较二、增益控制部分方案二：采用D/A集成芯片的方法AD7520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.体积方亲论证及比较二、增益控制部分方亲港证及比较二、增益控制部分方案二：釆用D/A集成芯片的方法但AD7520对输入参考电压Uref0s、%0

7、02zNARP、XkC丰lgF77_J_|卜POWERGNDfND1ILM337ADJ3A70WTRANSI9VARFUSE12200UF/25VAVSS1-5Vp0gFX4JJ47uF/25V4POS22200=LljiF3piF/50VHL47423NAGVift+15V7815GND-47pF/50V-J2200下F/50VWF2GND7905W-5V7915Vh-15VuJLdJ27805GNDH-5VDVSS1五、抗干扰措施系统总的增益为080dB，前级输入缓冲和增益控制部分增益最大可达60dB,因此，抗干扰措施必须要做得很好才能避免自激和减小噪声。可采用下述方法减小干扰和噪声，避免

8、自激：在排版过程中，将输入缓冲级、增益控制部分和功放部分按顺序放置形成一条龙。输入插孔与输出插孔分别在印制板的两端引出。输入.输出均采用同轴电缆连接。各级分别装在屏蔽盒内，防止级间及前级与末级之间的电磁耦合，有利于系统工作稳定，避免自激。五、抗干扰措施电源隔离，各级供电采用电感隔离，输入级和功放级采用隔离供电，输入级电源靠近屏蔽盒就近接上lOOOyF电解电容，盒内接高频瓷片电容到地，通过这种方法可避免低频自激。地线隔离，各级地线要分开，特别是输入级.增益控制部分与功放级.控制部分的地线一定要分开，且用电感隔离。防止末级信号和控制部分的脉冲信号通过公共地线耦合至输入级。在输入级，将整个运放用较粗

9、的地线包围，除了信号走线.电源线外，其余部分均可以作为地线，形成大面积接地，这样可吸收高频信号减小噪声。在增益控制部分和功放部分也可以采用此方法。五、抗干扰措施31数模隔离，数字部分和模拟部分除采用电源和地线隔离外，还要注意数电部分的脉冲信号通过空间感应至模拟部分。这就提示我们，数电部分和模拟部分要有一定的距离，甚至模拟部分要整个屏蔽起来。输入级和增益控制部分要选择噪声低的元器件，例如电阻一律采用金属膜电阻。避免内部噪声过大。级间耦合在有条件的情况下最好采用直接耦合，如需电容耦合，必须采用电解电容与高频瓷片电容并联进行耦合，避免高频增益下降。(7)其他，建议同一级放大部分的地线与电源线接在同一

10、点上，去耦电感和电容参数不要相同等。糸统调认和测试结系糸统调认和测试结系糸统软件段计及流程图（开始）本系统单片机控制部分采用反馈控制方式，通过输出电压采样来控制电压增益。输入浏16值U：+:帀算也值_*亠计算勺值输入新的测量值测试方法将各部分电路连接起来，先调整OdB，使输出信号幅度和输入信号幅度相等。接上600G的负载电阻进行整机测试。测试结果输入阻抗。电路的设计保证输入阻抗大于2.4kG电阻，满足题目要求。输出电压有效值测量。输入加100kHz正弦波，调节电压和增益测得不失真最大输出电压有效值为930950V,达到题目大于6V的要求。输出噪声电压测量。增益调到58dB，将输入端短路时输出电

11、压峰峰值为300mV左右。满足输出噪声电压小于0.5V的要求。糸统调认和测试结果糸统调认和测试结果1010010001X1041X1051010010001X1041X105测试结果频率特性测量。增益设为40dB档，输入端加10mV正弦波，由于信号源不能保证不同频段的lOmVi弦波幅度稳定，因此每次测量前先调节信号源使得输入信号保持在10mV左右，再测量输出信号。测试的数据绘成幅频特性曲线如图所示。403020*nn山畀丄糸统调认和测试结果糸统调认和测试结果10-011010010001X1041X10$10-011010010001X1041X10$2.测试结果频率特性测量。由曲线可以得到，

12、3dB通频带在低频端达到了1kHz，高频端在20MHz以上，由于信号源无法产生大于20MHz的信号故无法测量，从5MHz以上增益的趋势来看最终通频带高频端应大于20MHz,比较符合后级功率放大器的理论高频截止频率25MHz。在20kHz5MHz频带内增益起伏S02dB。403020糸统调认和测试结果糸统调认和测试结果2.测试结果增益误差测量。输入端加有效值为10mV,频率为1MHz的正弦信号，保持幅度稳定，然后预设增益值测量输出信号来计算增益误差。测试的数据见下表。预置增益/dB101622283440465258输岀RMS/mV32.363.812?2540.502V1.01V1.98V3.

13、95V7.45V实际増溢/dB10.216.122.12&134.04046.051.957.8增益误差/dB+024-Q.I+0.10,1+ao0.00.0-Ql-0,2111由表中可以看出增益误差在02dB之内，频率较高时，随着输出电压的增大，增益有下降的趋势，这是因为后级功放管工作状态即将接近饱和，通过提高后级电源电压可以使增益更加稳定。糸统调试和测试结系2.测试结果自动增益控制(AGC)测量。将放大器切换到AGC模式，改变输入信号电压，观察输出信号并记录输出电压。由于采用单片机控制增益，AGC范围和增益控制范围一致，理论上AGC控制范围为080dB。设定AGC输出电压范围45V5.5V,把输入信号调到1MHz，把有效值从lmV起往上调，测量输出电压有效值，记录测试数据。输出电压测量。通过数码管显示输出电压有效值，与实际测量值比较，误差S5%。糸统调试和测试结果糸统调试和测试结果误差分析实验测量的误差主要来源是电磁干扰,由于实验场地有许多电脑和仪器使用开关电源，电磁噪声很大，而且使用的同轴电缆屏蔽效果不好，所以测量输入端短路时的噪声电压时随