宽带直流放大器（设计报告）

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宽带直流放大器

江帆、胡斌、王泽强

摘要:本系统采用宽带压控增益放大器VCA810来实现增益可调，由前级放大模块、增益控制模块、带宽预置模块、后级功率放大模块、键盘及显示模块和电源模块组成，具有宽带数字程控放大功能。在前级放大电路中，用宽带电压反馈型运算放大器OPA690和宽带压控运算放大器VCA810放大输入信号，再经后级

THS3091功率放大电路将电压放大十倍，并增大输出电流，加强负载驱动能力，提高输出电压有效值范围。经验证，本方案完成了全部基本功能和部分扩展功能。关键字：压控增益放大器；功率放大；宽带数字程控

一．系统方案论证

1.1可控增益放大器部分

方案一：采用场效应管或三极管控制增益。只要利用场效应管的可变电阻区（或三极管等效为压控电阻）实现程控增益，本方案由于采用大量分立元件，电路繁杂，稳定性差。

方案二：为了易于实现最大60dB增益的调理，可以采用高速乘法器型D/A实现，譬如AD7420。利用D/A转换器的VRef作为信号的输入端，D/A的输出端做为输出。用D/A转换器的数字量输入端控制传输衰减信号实现增益控制。此方案简单易行，确切度高，但经试验知：转化非线性误差大，带宽只有几kHz,而且当信号频率较高时，系统简单发生自激，因此未选此方案。

方案三：根据题目对放大电路增益可控的要求，考虑直接选取压控增益运算放大器VCA810实现，其特点是以dB为单位进行调理，可调增益-40dB至+40dB，可以用单片机便利地预置增益。

综合以上的分析可知，方案三电路集成度高、条理较明了、控制便利、易于数字化程控处理。所以本系统采用方案三。

1.2滤波部分

为了达到题目要求的5M和10M带宽，需制作两路低通滤波器电路。

方案一：由无源器件（电阻、电容、电感）构成八阶椭圆滤波器，电路比较简单，成本低，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时简单引起电磁感应。

方案二：为达到通频带内增益起伏≤1dB，采用四阶巴特沃斯低通滤波器。巴特沃斯滤波器特点是通频带内频率响应曲线最大限度平坦，虽然阻带内缓慢下降，但可以增加阶数来加快阻带内的衰减。

由于用Tina仿真软件设计出来的八阶椭圆滤波器需用的器材（电阻、电容、电感）很难找到或组合成相近的值，而用Tina仿真软件设计出的四阶巴特沃斯

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低通滤波器幅频特性较好，所以选择了方案二。

1.3功率放大部分

方案一：用分立元件，此方案元器件成本低，易于购置。但是设计、调试难

度太大，周期很长，特别是手工制作难以保证可靠性及指标，故不采用此方案。

方案二：采用高输出电压运放作为功率输出部分的第一级，对信号进行电压放大；其次级采用推挽射级跟随器进行电流放大。由于采用分立元件，通频带内信号可能出现较大失真，线性度不好。方案三：直接使用高电压输出、低失真、电流反馈型的运算放大器THS3091，可以大大提高输出电流，驱动50欧的负载。

综上分析可知，方案三简单易行，而且由于采用单芯片，系统体积大大减小，完全满足题目要求。所以本系统采用方案三。

二．理论分析与参数计算

2.1带宽增益积

带宽增益积(GBP)是这是用来简单衡量放大器的性能的一个参数，这个参数表示增益和带宽的乘积。依照放大器的定义，这个乘积是一定的。题目中要求放大器最大电压增益AV≥60dB，即Gain≥1000V/V。放大器的通频带0～10MHz，所以本放大器的带宽增益积为

GBP=1000*10M=10G单个放大器是很难达到10G的GBP，所以我们考虑多级放大器级联。经过查阅手册，VCA810的带宽为35MHz，OPA690的GBP为500M，THS3091的带宽为210MHz(G=2,RL=100Ω)，足以达到题目要求。2.2通频带内增益起伏控制

题目中要求通频带内增益起伏≤1dB，本设计采用的是四阶巴特沃斯滤波器，巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，虽然在阻频带内缓慢下降为零，但可以通过增加滤波器阶数来加快阻带内的衰减，符合题目要求。经过滤波器设计软件Tina，发现四阶巴特沃斯滤波器可满足题目要求。

如图1所示电路是由低通R1-C1级，以及后面由R2，C2的积分器和运算放大器组成，可得

HOLP=-,

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R3428R1R2C2V--++V+U36C17VG13++-VM1

图1多重反馈低通滤波器

2.3放大器稳定性分析

1、生自激振荡的条件及原因：设多级点反馈放大器的闭环增益函数

Af(s)=A(s)/[(1+A(s)B(s)]=A(s)/[(1+T(s)]令s=jω，则稳态频率响应

Af(jω)=A(jω)/[(1+A(jω)B(jω)]=A(jω)/[(1+T(jω)]（1-1）

上式中，若在某一频率ωosc上，满足环路增益T(jωosc)=-1，则

T(jω)=T(jωosc)?ejyT(ωosc)=-1式中

T(ωosc)=|T(jωosc)|=1（1-2）yT(ωosc)=±π（1-3）

由式（1-1）可知，当T(jωosc)=-1时，环路增益函数Af(jωosc)→∞。这说明及时输入信号为零，仍有某一频率的信号输出，因而反馈放大器出现自激。其中式（1-2）称为自激的幅度平衡条件，而式(1-3)称为自激的相位平衡条件。幅度平衡条件与反馈的深度有关，而相位平衡条件决定于反馈系统的附加相移。由此可见，反馈系统必需同时满足幅度和相位的平衡条件才能自激。

2、定性理论分析：上式结论也可以反过来说，假使放大电路不满足自激的幅度条件或相位条件，就不会自激或成为正反馈电路，即电路是一稳定的放大电路。但实际应用当中，要保证放大器稳定工作，仅仅满足上述不自激条件是不充分的，若放大器处于接近自激条件的状况下，一旦外界因素发生变化导致T(jω)变化，就有可能满足自激条件使电路不稳定，因此要保证放大器远离自激状态。这种远离程度用稳定裕度来表示，两种表示方法，即相位裕量γψ或者增益裕量γg（两种判断稳定性的准则是等价的），别定义为

γψ=180°-ψT(ωg)和γg=20lg[1/(ωψ)]

其中ωg为增益交界角频率，ωψ为相角交界频率，显然，γψ和γg为正值，且其值越大放大器越稳定。在工程上γg大于45°即认为电路是稳定的。

2.4抑制直流零点漂移理论分析抑制直流零点漂移理论分析

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零点漂移是指当放大电路输入信号为零时，由于受温度变化，电源电压不稳等因素的影响，使静态工作点发生变化，并被逐级放大和传输，导致电路输出端电压偏离原固定值而上下漂动。放大电路级数愈多、放大倍数愈大，输出端的漂移现象愈严重。抑制零点漂移的措施，除了精选元件、选用高稳定度电源以及用稳定静态工作点的方法外，在实际电路中可采用补偿的方法。补偿是指用另外一个元器件来抵消放大电路的漂移，把漂移抑制在较低的限度之内。在器件的选择方面，前级放大尽量使用低噪声、低失调电压的运放；在整个系统中尽量使用高稳定度的电源供电，器件的正负供电端均并上一个电解电容和一个瓷片电容滤波；在系统三级放大中对零漂比较明显的地方采用补偿的方法来抑制零漂的传输，实际中即通过手动调理VCA810输入反相端滑动变阻器分压网络的方式对放大器引入的直流进行补偿。

2.5加强放大器稳定性的理论分析

1、放大器板上所有运放的电源线均并接一个10uF电解电容和一个104瓷片电容，滤除电源线路上的噪声信号干扰，焊接时尽量靠近芯片的电源端。

2、数字电路部分和模拟电路部分的电源严格分开，同时数字地和模拟地之间用0欧电阻连接，防止干扰。

3、在两个焊接板之间传递模拟信号时用同轴电缆，信号输入输出访用SMA-BNC接头以使传输阻抗匹配，并可减少空间电磁波对本电路的干扰，同时避免放大器自激。

三．电路设计

3.1整体系统描述

本系统主要由由前级放大电路、增益控制模块、滤波带宽限制模块、后级功率放大模块、键盘模块和电源模块组成。系统框图如图2所示。

前级放大可控增益放大输入V0滤波带宽限制

(OPA690)(VCA810)（OPA690）

矩阵键盘MSP430单片机功率放大（THS3091）电源模块液晶显示输出Vi图2系统框图

本设计采用压控增益器件，进行合理的级联和阻抗匹配，参与后级功率输出，

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全面提高了增益带宽积和输出电压幅度。应用单片机和数字信号处理技术对增益进行预置和控制，稳定性好，可控范围大。而且综合应用了电容去耦、滤波等抗干扰措施以减少放大器的噪声并抑制高频自激。

3.2前级放大模块

前置放大级的噪声指标对整个放大电路有着极其重要的影响。为了提高输入阻抗，减少输入噪声，本级选用同相放大电路结构，且输入电阻和反馈电阻均选用低阻值电阻，以减少热噪声，应选择宽带电压反馈型运算放大器OPA690。实际电路图如“附一图〞所示。

3.3压控增益放大模块

压控增益放大部分使用压控增益放大器VCA810，VCA810在宽频带工作模式下，增益控制范围为-40dB~+40dB（对应控制电压范围为：0V~-2V），控制电压与增益dB数成线性关系：，在此可调增益范围内，VCA810拥有35MHz的恒定带宽（包括小信号带宽和全功率带宽），且其典型的输出失调电压仅为-4mV~+4Mv，失调误差微小。

VCA810控制电压Vc由单片机MSP430通过内部D/A输出，再经过OPA227反向后输入VCA810的电压控制端。并且通过键盘控制MSP430的输出电压大小，达到电压增益预置并显示，步进为5dB。

本卷须知：为了让VCA810正常工作，对Vc端的滤波是必需的，可以并接一个10uf电解电容和一个104瓷片电容。

3.4滤波电路模块

由于截止频率高达10MHz，根据经验公式运放所必需的单位增益带宽为:

得到运放=100*1*10^6Hz=100MHz,一般的运放不行，需用宽度放大器。OPA690是一种宽带电压反馈性运放，在G=1时，稳定带宽500MHz，且适合做有源滤波器。因此，选择OPA690来完成截止频率为5MHz和10MHz的滤波器。

5M低通滤波器电路及仿真波特图如“附二图〞、“附三图〞所示；10M低通滤波器电路及仿真波特图如“附四图〞、“附五图〞所示。

四．试验测试及测试结果

4.1测试仪器

（1）数字示波器TDS1002（2）函数信号发生器SG1060A

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4.2测试方法

（1）输入0~10M信号，输入峰峰值25mV(有效值小于10mV)的电压信号，测试通频带内是否平坦。

（2）改变输入电压频率，分别记录在步进5dB的时候的输出电压峰峰值范围。

4.3测试结果-峰峰值(输入峰峰值：25mV)

增益频率0dB10dB20dB40dB55dB60dB500Hz1KHz1MHz2MHz4MHz80.0mV79.8mV80.1mV82.2mV83.0mV250.8mV251.0mV251.5mV248.2mV247.2mV2.51V2.50V2.49V2.48V2.45V13.1V13.2V13.0V12.8V12.7V表1通频带内平坦度测试增益（dB）10dB15dB20dB25dB30dB输入（峰峰值）35dB40dB45dB50dB55dB25mV80mV1402504457901.402.51mVmvmVmVVV表2步进及带宽测试（4MHz以内）

4.50V7.9