急求宽带放大器的原理与论文(2003 b)

摘要

本工作基于压控对数放大器的设计，由主放大器及输入输出电路、增益控制电路、显示与处理模块、测量电路和电源模块组成，具有宽带数字程控和数字AGC功能。其中，AD603的使用有助于实现可编程增益，AD844的使用提高了输出电压的有效值范围。由于电容去耦、磁珠滤波等降噪措施的综合应用，放大器的噪声得到了很好的抑制。

关键词:压控对数放大器宽带数字程控数字AGC降噪

1.方案比较和论证

根据题目的要求，我们将本设计分为五个功能模块:主放大电路和输入输出电路、增益控制、键盘显示和处理、测量和稳压电源。模块之间的关系如图1-1所示。

图1-1各模块关系

1.主放大器和输入/输出电路

方案1:用分立元件设计。该方案的组成部分成本低，易于购买。但是

设计调试难度太大，周期很长，尤其是短时间内的手工制作。

可信性和指标，所以不采用这种方案。

方案二:采用高速宽带集成运算放大器设计。该方案的优点是电路易于实现，指标和可靠性易于保证。因此，采用此方案。

2.增益控制电路

方案一:用FET或三极管控制增益。增益控制主要是利用场效应晶体管的可变电阻区(或者三极管相当于压控电阻)来实现的。电路简单，调试复杂。

方案二:采用高速乘法器D/A。D/A转换器的VRef作为信号的输入，D/A的输出作为输出。增益控制是通过用D/A转换器的数字输入控制传输衰减来实现的。这种方案简单可行，但实验表明信号频率较高时系统容易产生自激，所以不选择这种方案。

方案三:使用可以通过电压控制增益的放大器。其特点是增益可由单片机方便地预置。

因为主放大器可以找到压控增益器件，所以本系统采用第三种方案。

3.有效值测量电路

方案1:真有效值转换器用于测量。该方案电路简单，精度高。但是价格比较贵，设备也不好找。AD637和AD737等现有均方根转换器件无法满足更高频率范围的测量要求。

方案二:采用峰值检测测量。采用峰值检测电路，检测到的峰值经A/D转换后由单片机转换成有效值。电路简单可靠，但前提是信号是正弦波，否则误差较大。考虑到本题要求测量的是标准正弦波，所以选择了这个方案。

4.稳定电源

方案一:线性稳压电源。包括并联和串联结构。并联电路复杂低效，只用于对调节速度和精度要求高的场合。串联电路相对简单高效，尤其是采用集成三端稳压器，更方便可靠。

方案二:开关稳压电源。这种方案效率高，但电路复杂。开关电源的工作频率通常是几十到几百KHz，基波和很多谐波都在这个放大器的通带内，非常容易带来串扰。

电源模块选择第一种方案中的串联稳压电源。

整个系统框图如图1-2所示。

图1-2系统框图

二。理论分析和参数计算

放大器链路的组成如图2-1所示:

图2-1主放大器电路图

图中表示了设计中各级增益的分布，并根据下面的器件官方数据给出了各级的-3dB通带上限。

带通计算

如图2-1所示，系统的通带由BUF634缓冲器、两级AD603放大器和AD844放大器* * *决定。根据频率响应公式，系统增益与频率的关系如下:

(公式2-1)

其中:，，，为器件数据中对应运算放大器的通带，为放大链中各级放大器的中频电压放大倍数。

经计算，系统带宽为3dB，满足设计要求。

2.增益控制范围和精度

为了实现60dB的放大能力，本设计采用AD603和后级AD844放大电路两级级联的增益分配方式。根据资料，AD603的工作增益为-11dB ~ 31dB，带宽为90MHz。每一级的增益为:

GAD603(dB)=40×Vg+10(公式2-2)

其中，Vg是AD603的增益控制电压，范围为-0.50 v至0.50 v。

根据图3-3中的连接，AD844放大器电路的增益为17.8dB，之前的输入衰减6dB，因此整个放大器的增益为:

g(db)= 2×gad 603+17.8-6 = 80×VG+31.8(公式2-3)。

Vg的变化范围为-0.5 ~ 0.5 V，因此理论增益控制范围为-8.2 ~ 71.8 dB。

微控制器通过D/A的输出电压控制AD603的增益。如果使用8位D/A转换器，d/a KDA的输入值与AD603的控制电压之间的对应关系如下:

(公式2-4)

其中，KDA是数模转换器的输入值

根据公式2-3和公式2-4，增益g和数模输入值KDA之间的对应关系如下:

(公式2-5)

则增益控制的理论精度可由下式获得:

(公式2-6)

从以上分析可以看出，该电路满足增益控制范围和精度的指标要求。

3.自动增益控制范围

AGC范围的计算公式为:

g = 20 log(vs2/vs 1)-20 log(voh/vol)(公式2-7)。

其中Vs2和Vs1分别是输入信号的最大值和最小值；VOH和VOL分别是输出的最大值和最小值。

从等式2-7推断，当输入信号的有效值为0.0012VVi2.0V时，AGC范围为64dB，以确保输出电压的有效值为4.5VVO5.5V V..图2-2给出了在matlab中进入AGC模式后放大器传输特性的仿真结果。如图，该功能符合题目要求。

图2-2

4.系统噪声

该系统的噪声主要由输入电阻的热噪声、BUF634电路噪声、AD603电路噪声和AD844电路噪声引起。在60dB的最高增益下，系统所有电平的噪声近似计算如下:

=(公式2-8)

=(公式2-9)

=(公式2-10)

=(公式2-11)

=(公式2-12)

在公式(2-8)～(2-12)中，K=，T=300K，R=和b = 90mhz、和代表各器件的噪声系数，分别为4、1.3、1.3和2；B1，B2，B3，B4和G1，G2，G3m和G4m分别代表各器件的带宽和增益，具体数值如图2-1所示。可以进一步推断，系统噪声的有效值和峰峰值分别为:

=0.054V(公式2-13)

Un peak ==0.153V(公式2-14)

从以上分析可以看出，该电路能够满足噪声指标的要求。

5.运算放大器之间的耦合电容

AD603的输入阻抗为100。为了保证9KHz以上的信号通过，高通滤波的截止频率设置为8KHz。

根据，两个AD603之间应增加的电容大小为:

C2====199nF(公式2-15)

选择标称值C2=330 nF。

buf634和AD603之间增加的电容为:

C1 = = = 99nf(公式2-16)

为了留有一定的余量，取C1=220 nF的标称值。

同样，AD603与AD844之间的电容为C3=220 nF。

三、单元电路的设计与实现

在综合分析本课题的基本要求和部分需求的基础上，我们确定了总体设计目标是完成本课题的所有功能和指标。每个单元的电路设计如下:

1.输入缓冲电路

为了实现1K的输入阻抗和8KHz~10MHz的带宽，采用BB公司的BUF634，该级增益为0dB。具体电路图如下:

图3-1输入缓冲级的电路图

考虑到通带带宽的要求和降低缓冲级的输入噪声，BUF634采用30MHz带宽的电路连接形式。BUF634具有高输入阻抗。为了降低系统引入的噪声和干扰，并满足输入阻抗大于的要求，在BUF634的输入端并联一个电阻接地。

BUF634的输出端串联一个100ω的电阻，与后级AD603的输入阻抗构成一个衰减系数为0.5的衰减器，以保证输入信号的宽范围。

2.主放大器电路

该电路可以由ADI公司的AD603完成。在宽带工作模式下，AD603的增益控制范围为-11dB ~+31dB，控制电压与增益dB成线性关系，可以两级级联达到设计目标。AD603的噪声谱密度仅为1.3，可以满足低噪声的设计要求。

图3-2主放大器电路

具体电路如上图2-2所示，每级增益为

(公式3-1)

其中是AD603的增益控制电压，单位为伏特，范围为-0.50v ~ 0.50v..因此，两级AD603的可控增益范围为-22db ~ 62db，可以保证本电路具有较大的增益预置范围和AGC控制范围。

3.输出级放大器电路

这一级由AD844的放大器电路完成，它具有高达2000V/us的压摆率和强大的负载能力。开环输出电阻为15，在电源为15 V，负载电阻为600ω时，输出电压有效值可达8.40V。AD844的全功率带宽为20MHz，符合放大器带宽要求。电路如图2-3所示。

图3-3输出级电路

由于主放大器AD603的最大输出电压为2.5V，AD844的输出阻抗约为15，为了确保在600电阻负载下输出8.5V，该级的增益至少设计为:

(公式3-2)

经过调试，增益为7.67倍，即17.7dB。

4.增益控制电路

由AD7528实现。电路图如图3-4所示。

图3-4增益控制电路

有效值测量电路

该电路由峰值检测(输出端电阻分压)和A/D转换电路实现。具体电路如图3-5所示。

图3-5

在图3-5中，R1的作用是将检测电路输出的电压范围转换成A/D从0到5.0V的输入电压范围..经过调试，输出电压有效值与A/D值之间的关系最终确定如下:

U有效=KAD×34.1+300(其中，U有效的单位mV)(公式3-3)。

其中检测电路采用最常见的峰值检测形式，检测时间常数是根据通带的低端频率()设计的。对应的周期为0.11ms，因此检测时间常数为1ms，具体器件参数为:R1=100K，C1=10nF。

电路

图3-5峰值包络检测电路图

Multisim仿真结果

图3-6

如果采用图3-7所示的电路图，可以解决测量小幅度电压的问题，但这种电路的调试比较麻烦，所以不采用。

图3-7测量小振幅电压的检测电路

6.单片机和显示键盘系统

单片机采用AT89C55，键盘控制采用专用芯片ZLG7289A，使按键处理和控制简单易控制。测量输出有效值，控制增益，实现自动增益控制，都可以通过特定的软件算法来实现。显示界面采用128*64的图形液晶显示模块。

为了使放大器更加实用，我们还使用PCF8583为系统扩展了掉电保护功能，可以长时间保持预设的增益值。

7.电源部分

电源提供+5V/1A、5V/0.5A、15V/0.5A五路输出，保证系统正常工作。

参数计算

a)输出5V时，输出电流至少为1.5A，变压器输出电压为9.5V。

在0.01秒内，电压调节器输入级的电压变化如下:

= 4.06伏(公式3-4)

其中U=9.5V为变压器的交流输出电压，Ud=2.3为LM323K的最小管压降。1.4V为二极管压降。

滤波电容c为:

其中，δUIP-P是调节器输入端纹波电压的峰峰值；

t是电容器的放电时间；

IC是电容器的放电电流，因此Ic=I0是可取的。

取校准范围值C=4700uf。

b)输出电压为+15V时，输出电流至少为0.5A，变压器输出电压为23.8V。

在0.01秒内，电压调节器输入级的电压变化如下:

=13.7V(公式3-5)

滤波电容c为:

为进一步降低纹波，取C=3300uf。

c)当输出电压为-15V时，输出电流至少为0.5A，变压器输出电压为-23.8V..

计算方法同+15V，滤波器电容确定为:

C=3300微法单位(公式3-7)

电路图

图3-8电源电路

8.去耦和降噪

(1)个放大器级联时采用电容耦合，电容值根据通带下限频率确定。

(2)功放板上所有的运放电源线和数字信号线都经过磁珠和电容滤波。磁珠可以滤除电流上的高频毛刺，电容可以滤除低频干扰。它们一起可以更好地滤除电路中的串扰。其电路形式如图3-9所示。尽可能靠近IC电源和接地安装。

(3)当在两个焊接板之间传输模拟信号时，使用与图3-9相同的图形。

轴，以使传输阻抗匹配，并能减少空间电磁波对这个电路的干扰。

(4)数字电路部分和模拟电路部分的电源严格分开，同时将数字地接到模拟地电源点。

(5)在BUF634的输入端和AD844的输出端并联小电阻，提高系统的抗干扰能力，使系统更加稳定。

第四，系统软件设计和控制算法分析。

1.软件功能和结构

该系统软件采用结构化编程方法，功能模块相互独立，包括系统初始化、程控放大模块、自动增益控制模块、测量电压有效值、按键处理模块和显示模块。软件的主要流程图如下图4-1所示。

图4-1主程序流程图图4-2自动增益控制流程图

2.功能模块算法设计

(1) RMS测量模块该模块使用峰值检测来测量电压的RMS。在采集峰值时，采样方法为10次和平均滤波，从而减小了误差，使测量更加准确。被测电压的有效值与A/D的值有线性对应关系，测几组数据，然后用方程3-3求有效值。

(2)程控增益模块的增益控制字由等式2-5确定。为了保护系统，软件对设定的增益范围进行了限制，超过0~60dB时将被视为无效输入，并显示相应的提示。

(3)自动增益控制(AGC)模块执行AGC功能时，检测输出信号，经A/D转换送入单片机，然后与AGC输出电压范围的最大值和最小值进行比较，根据它们之间的关系改变程控放大器的增益。微控制器每次读取A/D值时输出控制电压大约需要60us。在本设计中，软件增益控制约为100个执行周期，即。因此，软件AGC的时间常数约为6 ms，根据不同要求设置软件，可以方便地实现可变时间常数AGC。该过程如图4-2所示。

(3)按键处理模块本系统的按键功能包括九级增益(数字键1 ~ 9)、任意增益(10 dB ~ 60 dB)预置、AGC功能、日期时间显示和预置。其中，增益预置限制了输入数据的范围，当输入数据超出范围时，会显示相应的错误提示。

(4)显示模块采用128*64的图形液晶显示模块，显示预设增益值和输出电压有效值，直观。默认情况下，字符倒置提示正在进行的操作，界面友好。

(5)断电保护功能利用实时日历时钟芯片PCF8583显示当前时间和日期，可以预先设置，同时还利用其内部低压RAM实现断电保护功能。

五:系统测试

试验条件

室温25℃，工频220V交流电源。

试验仪器

胜利仪器DT890数字万用表

安捷伦33120A信号发生器15MHZ

泰克TDS 210数字示波器60MHZ

测试方案、结果和结果分析

输入阻抗测试

图5-1阻抗测试图5-2幅频特性测试

如图5-1所示，如果用示波器测量V和Vi，输入电阻为:

=(公式5-1)

表5-1(R = 1.2kω)

f(赫兹)5K 10K 20K 80K 500k 1M 2M 4M 6M 8M

468 424 420 420 420 424 420 420 420 420 408 400 392

VI(mV)170 148 172 172 168 172 152 156 148 128

ri(K)1.14 1.07 1.39 1.39 1.36 5438+0.39 1.1.13 1.24 1.1.97

结果分析:经测量，在5 khz ~ 6 MHz范围内，输入阻抗为1K，满足并超过设计要求。

幅频特性测试

测试电路的连接如下图5-3-2所示。改变不同的频率，分别测试输入和输出电压，根据下式计算增益，得到幅频特性。

，G=20lg AV(公式5-2)

表5-2

f(赫兹)7K 10K 20K 500k 2M 5M 6M 12M

2.00 2.00 2.00 2.00 1.92 1.96 1.88 1.64

13.0 15.0 17.2 19.2 18.2 18.0 17.6 10.8

6.50 7.50 8.60 9.60 9.50 9.18 9.36 6.59

g(分贝)16.3 17.5 18.7 19.6 19.6 19.3 19.4 16.4

结论:从上表可以看出，该放大器3dB带宽为7KHz~12MHz，增益在20KHz~6MHz频段内波动1dB，满足并超过题目要求。

最大增益G max=，电路连接同图(5-2)。

表5-3

F 10K 50K 500K 6M

20.0 21.6

VIP-p(mV)20 20 20 20 20

Gm( dB ) 50.6 52.0 60.0 52.7

结果表明，该放大器的最大增益达到60 dB，满足58dB的要求。

增益阶跃测试测试电路如下图所示:

图5-3增益阶跃测试

6dB阶跃测试

g字母(db)10 16 22 28 34 40 52 46 58。

六(毫伏)50 50 50 50 20 20 20 20 20 20 20

V 0(V)0.161 0.364 0.632 1.240 1.030 1.900 7.440 4.080 16.200

v 0/Vi 3.22 7.28 12.64 24.80 51.50 95.00 372.0 204.0 810.0

g测10.2 17.2 22.0 27.9 34.2 39.6 51.4 46.2 58.2。

|-G let | 0.21.20 . 00.1.20 . 40.60 . 20.2。

表5-4 f=500kHz

结论:从上表可以看出，步进6dB时，实测增益与预设增益的最大差值为1.2dB，满足全发挥要求。

2dB步进测试台

表5-5 f=500kHz

g字母(dB) 42 44 46 48 50 52 54 56

六(毫伏)20 20 20 20 20 20 20 20 20 20

V 0(V)2.61 3.03 4.04 5.14 5.97 8.15 9.91 13.12

v 0/Vi 130.5 151.5 202.0 257.0 298.5 407.4 495.5 660.7

g测试42.3 43.6 46.1 48.2 49.5 52.2 53.9 56.3

| G测试-G设置| 0 . 30 . 40 . 1 . 20 . 50 . 20 . 1.3

结论:从上表可以看出，预设增益为2dB时，测试增益与预设增益的最大差值为0.5dB，满足全发挥要求。

输出均方根显示测试

改变输入信号的幅度，观察不同输出电压下示波器显示值和液晶显示值，比较并计算它们的误差。测试结果如下:

表5-6 f=1MHz G=20dB

(mV)5 25 50 100 200 300 400 500 560 580 600

Vo液晶(V)0.30 0.30 0.37 0.89 1.90 2.96 3.93 4.92 5.71 5.78 5.78。

㈤0.05 0.25 0.50 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 5.60 5.80 6.00

0.25 0.05 0.13 0.11 0.10 0.04 0.07 0.08 0.11 0.02 0.22

测试结论:从上表可以看出，单片机测试显示的电压有效值在0.5V-5.8V之间，误差很小..在这个范围之外，由于A/D的限制，显示器无法正常测试。(之前讨论过)

最大均方根输出

图5-4最大均方根输出测量

设置增益G=40dB，并将其调整到无失真的最大输出。

表5-7

频率50K 100K 1M 2M 5M 6M

㈤9.10 9.00 8.54 7.50 7.79 7.16

结论:在输出信号不失真的情况下，通带内最大输出电压有效值大于6.00V，达到并超过了基本设计和发挥部分的要求。

(6)AGC性能测量

将电路切换到AGC功能，使输入信号从小值逐渐增大，观察输出，找出输出能稳定在4.5v-5.5v之间的输入信号范围。

图5-5 AGC性能测量

表5-8 f= 500kHz

㈥50 100 500 800 1000 2000 5000 10000

VO 4.89 4.86 5.22 5.17 5.25 5.00 5.23 5.30

结论:经过测试，当输入信号的幅度从50 mV变化到10V时，输出可以稳定在4.8V到5.3V之间..因此，AGC控制系统的调节范围是输出电压有效值稳定在4.8V-5.3V之间，满足设计要求。

(7)输出噪声测试

图5-6输出噪声测试

结果分析:经测试，峰峰值输出噪声电压为300mV，增益为58dB，满足题目要求。

(8)“其他”功能测试

答:自动计时和时间校正功能

可以实时显示年、月、日、时、分、秒的时间信息。

b:断电保护功能

在程控功能完成的前提下进行测试，观察系统断电前后初始增益值是否变化。测试结果如下:表5-9。

断电前(分贝)10 28 40

重新启动后(dB) 10 28 40

结论:具有定时、校时功能，掉电保护功能正常。

c .输出合格提示

我们将放大器的增益范围设置为8 dB ~ 60 dB。当设定增益超过此范围时，LCD将显示“输入结束！”小贴士。经测试，该功能实现良好。

(9)电源测试

三个负载都是1K，用示波器测电压。

图5-7电源输出电压测试

表5-10

+5V +15V -15V

输出电压(V) 4.97 14.87 -14.87

当输出电压降至95%时，电流为最大输出电流。

图5-8电源最大电流测试

表5-11

+5V +15V -15V

最大电流(A) 1.50 0.56 0.67

给三个电源同时加一个500的负载，用示波器测量它的纹波。

图5-9稳压电源的纹波测试

表5-12

+5V +15V -15V

纹波电压(mV) 12 15 18

结果分析:电源的各项参数均满足设计要求。

不及物动词总体结论

基于以上各部分的测试结果，本设计成功完成了课题基本部分的要求，也完成了课题部分的要求，并扩展了掉电存储和输入限制功能。前降压后升压的设计不仅扩大了AGC的范围，而且提高了输出电压幅度。各种去耦和降噪措施的综合应用，保证了放大器的稳定工作，降低了噪声。如果可以进一步测量和校正输出增益，或者可以使用性能更好的器件，则指标可以进一步提高。

七。附录:

参考

(1)《电子电路的设计、测试与检验》谢主编，华中科技大学出版社出版。

(2)第三届全国电子设计大赛组委会编写的《第四届全国电子设计大赛作品选登》在北京理工大学出版社出版。

(3)全国大学生电子设计竞赛作品选登1994-1999。

北京理工大学出版社，全国大学生电子设计竞赛组委会

(4)《MCS-51系列单片机应用系统设计》何立民主编，北航出版社出版。

(5)《电子测量》由刘国林尹冠希主编，机械工业出版社出版。

(6)性能优良的自动增益控制电路张淑娥杨在旺李文田华北电力大学

2.整个系统的完整电路图

(1)主要功能实现电路

(2)最低系统板

(3)电源部分

3.重要的芯片信息

设备特征:

“线性dB”增益控制

引脚可编程增益范围-11dB至+31dB，90MHz

1.3输入噪声频谱密度

线性增益(dB)控制；

1.3输入噪声频谱密度；

275输出信号压摆率；

在90MHz带宽内可实现-11dB至+31dB的增益范围；

典型增益控制精度为0.5 dB

带宽与可变增益无关。

BUF634的特性:

高输出电流:250毫安

压摆率:2000V/？s

引脚选择带宽:

30兆赫至180兆赫

供应范围广:？2.25到？18V

AD 844特性:

宽带宽:60 MHz，增益为–1

宽带宽:增益为–10时为33 MHz

极高的输出压摆率:最高2000 V/_s

20 MHz全功率带宽，20 V峰峰值，RL = 500 _

快速建立时间:100 ns至0.1% (10 V步进)

差分增益误差:4.4 MHz时为0.03%

差分相位误差:0.158(4.4 MHz时)

高输出驱动:650 mA输入50 _ Load

低失调电压:最大150mV(B级)

低静态电流:6.5 mA

提供胶带和卷轴，符合

EIA-481A标准