基于单片机的宽带放大器设计

北京理工大学珠海学院 2010 届本科生毕业设计11 宽带放大器简介1.1 什么是宽带放大器工作频率上限与下限之比甚大于 1 的放大电路。习惯上也常把相对频带宽度大于 2030的放大器列入此类。这类电路主要用于对视频信号、脉冲信号或射频信号的放大。用于电视图像信号放大的视频放大器是一种典型的基带型宽带放大器，所放大的信号的频率范围可以从几赫或几十赫的低频直到几兆赫或几十兆赫的高频。这类放大器通常以电阻器为放大器的负载，以电容器作级间耦合。为了扩展带宽，除了使其增益较低以外，通常还需要采用高频和低频补偿措施，以使放大器的增益-频率特性曲线的平坦部分向两端延展。可以归入宽带放大器的还有用于时分多路通信、示波器、数字电路等方面的基带放大器或脉冲放大器（带宽从几赫到几十或几百兆赫），用于测量仪器的直流放大器（带宽从直流到几千赫或更高），以及音响设备中的高保真度音频放大器（带宽从几十赫到几十千赫）等。用于射频信号放大的宽带放大器（大多属于带通型），如雷达或通信接收机中的中频放大器，其中心频率为几十兆赫或几百兆赫，通带宽度可达中心频率的百分之几十。1.1.2 放大器的分类将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为 360o，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于 180o；丙类放大器电流的流通角则小于 180o。乙类和丙类都适用于大功率工作丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。集成运算放大器主要类别下面对不同特性的集成运算放大器进行介绍。1.通用型集成运算放大器通用型集成运算放大器是指它的技术参数比较适中，可满足大多数情况下的使用要求。通用型集成运算放大器又分为型、型和型，其中型属低增益运算放大器，型属中增益运算放大器，型为高增益运算放大器。型和型基本上是早期的产品，其输入失调电压在 2mV 左右，开环增益一般大于80dB。2.高精度集成运算放大器高精度集成运算放大器是指那些失调电压小，温度漂移非常小，以及增益、共模抑制比非常高的运算放大器。这类运算放大器的噪声也比较小。其中单片高精度集成运算放大器的失调电压可小到几微伏，温度漂移小到几十微伏每摄氏度。3.高速型集成运算放大器高速型集成运算放大器的输出电压转换速率很大北京理工大学珠海学院 2010 届本科生毕业设计2，有的可达 23kV/S。4.高输入阻抗集成运算放大器高输入阻抗集成运算放大器的输入阻抗十分大，输入电流非常小。这类运算放大器的输入级往往采用 MOS 管。5.低功耗集成运算放大器低功耗集成运算放大器工作时的电流非常小，电源电压也很低，整个运算放大器的功耗仅为几十微瓦。这类集成运算放大器多用于便携式电子产品中。6.宽频带集成运算放大器宽频带集成运算放大器的频带很宽，其单位增益带宽可达千兆赫以上，往往用于宽频带放大电路中。7.高压型集成运算放大器一般集成运算放大器的供电电压在 15V 以下，而高压型集成运算放大器的供电电压可达数十伏。8.功率型集成运算放大器功率型集成运算放大器的输出级，可向负载提供比较大的功率输出。1.2 课题设计要求1.带宽 3dB 通频带为 10kHz6MHz，可以扩展。 2.增益 （1）最小值为 10dB，基本指标为 40dB，最大值60dB。 （2） 可步进调节，在 1058dB 范围内，步进间隔为 6dB；要求更高时，步进间隔为 2dB。（3）可预置增益值，并显示。（4）预置增益值与实测增益值的误差要求：在步进间隔为 6dB 时，误差小于 2dB；在步进间隔为 2dB 时误差小于 1dB。（5）带内增益平坦度要求：在增益为 40dB 时，在 20kHz5MHz 范围内，增益起伏小于 1dB。（6）自动增益控制要求：在 4.5VV05.5V 范围内，AGC 范围20dB，即输入信号的 ViH/ViL 大于 12.2 倍。 3.最大输入电压幅度（有效值） （1）基本要求3V；（2）扩展要求6.5V；（3）数字显示正弦电压有效值。 4.噪声性能 在 AV=58dB 时，输出噪声峰峰值不大于 0.5V。 5.输入阻抗1k；负载电阻为 600；单端输入、单端输出。 6.进一步提高各项技术指标，扩展功能。 对题意要求作了如上整理后，在作总体方案设计时，至少有三点思路易于明确： （1）器件选择必须选择宽带、低噪、增益可程控放大的器件，且这类器件必须从新型的高速宽带运算放大器中去寻找；分立元件很难奏效。 （2）硬件系统；根据最大输出电压幅度和最大增益要求，系统可分为 3 级、2 级或 1 级（满足基本要求）来实现，每级的增益分配都不会太大，易于实现。（3）增益指标这一项，内容较复杂，但主要都是依靠编程技术来完成。3.课题的意义 随着社会生产力的发展，人们迫切地要求能够远距离随时随地迅速而准确地传送多媒体信息。于是，无线通信技术得到了迅猛的发展，技术也越来越成熟。而宽带放大器是上述通信系统和其它电子系统必不可少的一部分。由此可北京理工大学珠海学院 2010 届本科生毕业设计3知，宽带放大器在通信系统中起到非常重要的作用，于是人们也对它的要求也越来越高。1.3 总体方案设计方案一：选用结电容小，f T 高的晶体管，采用多种补偿法，多级放大加深度负反馈，以及组合各种组态的放大电路形式，可以组成优质的宽带放大器，而且成本较低。但若要全部采用晶体管实现题目要求，有一定困难，首先高频晶体管配对困难，不易购买；其次，理论计算往往与实际电路有一定差距，工作点不容易调整；而且，晶体管参数易受环境影响，影响系统总体性能。另外，晶体管电路增益调节较为复杂，不易实现题目要求的增益可调。方案二：使用专用的集成宽带放大器。如 TITHS6022、NE592 等集成电路。通过外接少数的元件就可以满足本题目要求，甚至远超过题目要求的带宽和增益的指标，但这种放大器难以购买，价格较贵，灵活性不够，不易满足题目扩展功能要求。方案三：市面上有多种型号、各具特色的宽频带集成运算放大器。这些集成运算放大器有的通频带宽，有足够的增益，有的可以输出较高电压，使用方便，有的甚至可以实现增益可调及 AGC 的功能。总体上硬件的实现和调试较为简单，所以，我们决定采用多个集成运放级连实现本题目。图 21 系统方框图如2 芯片介绍AD603 运放性能介绍 由上可见，完成本题的关键在于选择好宽带、低噪、增益可控制的放大器件。，如选择 AD603、UA733 等， AD603 的有关技术性能。 3.AD603 的特性 图 1 为 AD603 的引脚图，表 1 为其引脚功能，图 2 为 AD603 原理框图，图北京理工大学珠海学院 2010 届本科生毕业设计43 为其最大增益与 Rx 之间的关系。这些图表对了解 AD603 的电气性能非常有用。图 2-2 AD603 引脚图4.电气性能 （1）增益特性 固定增益上限 Av(0) ：与 5、7 脚之间的外接电阻 Rx 有关，Rx=0（5、7 脚短接），Av(0)max=30dB。Rx=6.44k，Av(0)max=50dB。所以，固定增益的上限为（3050）dB。 增益衰减范围：由内部 R-2R 精密梯形网络实现，R=100，每节衰减6dB，共有 7 节，总的衰减能力约 40dB。可见运放的增益在其上限之下，有40dB 的可调范围。 增益控制调节方法：1、2 脚都是其控制电压 Vg 的接入端，由 Vg 控制内部衰减网络的无级变化，从而实现 40dB 范围内任一步进间隔的增益调节；Vg是 1、2 脚之间的电位差，范围是-0.5V,0.5V，超出该范围时，Vg 的作用与区间端电压相同；在 Vg 控制下，放大器的对数增益（以分贝表示）与 Vg 成线性关系（Vg 的单位为 V）：Av(Vg)=40Vg+(Gmax-20)(dB)。 图 2-3 AD603 内部结构北京理工大学珠海学院 2010 届本科生毕业设计5图 2-4 AD603 性能例如：当 Rx=0，Gmax=30dB,Vg-0.5V，0.5V时,AV(Vg)范围为:-1030dB。当调节范围超过 40dB 时,需用级联方式解决。 另外，控制端 1、2 脚之间输入电阻达 50M，对 Vg 接入电路不会产生影响；在内部，1、2 脚与信号输入端 3、4 脚之间无电的联系。因此，Vg 调节增益是独立进行的。 （2）带宽 当 Gmax=30dB 时，BW0.7=90MHz ；当 Gmax=50dB 时，BW0.7=9MHz，即单位增益带宽接近 3GHz；带内增益起伏小于 0.5dB；大信号电压转换速率：275V/s。 （3）低噪声性能 1.3nV/Hz。故即使在 100MHz 频带里，噪声峰-峰值也仅0.13V 左右。 （4）输入电阻 100。这是由其 R-2R 网络决定的。因此为提高输入阻抗，可采用宽带运放跟随器作输入级。 （5）极限参数及应用范围 表 2 为 AD603 极限参数及应用范围。 5 使用注意事项 （1） 输入信号必须直接接在 3、4 脚上，否则影响精度。（2） 参考电压必须非常稳定。（3） 信号输入端宜加保护电路，以防过压输入。（4） 容易自激。电源和地之间加去耦电容，各级电源之间加电感线圈隔离。（5） 对容性负载敏感，易造成自激，当用同轴电缆连接输出时，宜加缓冲器隔离。（6） 前后级易产生电磁耦合，必要时需用铜屏蔽盒隔离。（7）级联运用时，因为 Ri2=100，为防止后级输入过流，应采取保护措施。（8）在 5 脚上加接 4.7F 电容接地，可适当提升高频分量，改善幅频特性。 北京理工大学珠海学院 2010 届本科生毕业设计62 理论分析及各模块设计比较2.1 增益分配本系统以可变增益增益放大器 AD603 为核心，其它各单元电路都是根据AD603 及题目要求设计。题目要求最大增益要大于 40dB，最大输出电压有效值大于等于 3V，而中间级采用的可编程增益放大器 AD603 对输入电压和输出电压均有限制，所以，必须合理分配三级放大器的放大倍数。AD603 的最大输出电压有效值约为 1.2V，假如要实现发挥部分的最大输出电压有效值大于等于 6V 的要求，即输出电压峰峰值26 16.9 V， （2-minpV21）为得到最大输出电压,则后级放大至少要有 5 倍。发现，AD603 在输出电压过大时，波形会有失真。为了实现输出不失真，同时尽量扩大输出电压，把AD603 最大输出电压的峰峰值为定为 2V 左右，则放大倍数A 8.45 18.54 (dB) （2-29.162）故后级需要放大 8.5 倍，即 18.6 dB。另外，AD603 的输入电压峰峰值为 1.4 V，所以前级放大不宜过大，以免输入大信号时会烧坏芯片。考虑到 AD603 输入电压范围，所以让前级放大 3.5 倍。2.2 前级放大器根据上述 AD603 芯片的特点，可将前端放大器简要设计如图 3-1-1 所示。 前端跟随器选用 OPA642，其截止频率达 400MHz，跟随线性度好；输入电压允许值与 AD603 相同。这样，使系统输入阻抗远大于 1k 的要求。 为了满足题目要求输入阻抗大于 1k，选取 R1 = 2K，R f =7K，则放大倍数 A 3.51Rf27北京理工大学珠海学院 2010 届本科生毕业设计7图 21 前级放大器北京理工大学珠海学院 2010 届本科生毕业设计8图 2-2 opA6422.3 增益控制电路AD603 的简化原理框图如图 2-3-1 所示，它由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。图中加在梯型网络输入端（VINP）的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关，而仅与其差值 VG 有关，由于控制电压GPOS/GNEG 端的输入电阻高达 50M，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。而且，如果 AD603 的增益用 dB 表示，则与控制电压成线性关系，以上特点很适合构成本题要求的放大器。北京理工大学珠海学院 2010 届本科生毕业设计9图 23 AD603 原理框图中的“滑动臂”从左到右是可以连接移动的。当 VOUT 和 FDBK 两管脚的连接不同时，其放大器的增益范围也不一样，带宽在 9MHz 90MHz 之间为加大中间级的放大倍数及增益调节范围，使用两片 AD603 级联作为中间级放大。如果将 AD603 的 5 脚和 7 脚相连，单级 AD603 增益调整范围为，1030 dB，带宽为 90MHz，两级 AD603 级联，使得增益可调范围扩大到20 dB60 dB。可满足题目要求的 10dB58dB 的增益调节。图 2-4 级联 AD603 电路图北京理工大学珠海学院 2010 届本科生毕业设计10两级 AD603 采用5V，5V 电源供电，两级的控制端 GNEG 都接地，另一控制端 GPOS 接 D/A 输出，从而精确地控制 AD603 的增益。AD603 的增益与控制电压成线性关系，其增益控制端输入电压范围为500mv500mv，增益调节范围为 40dB，当步进 1dB 时,控制端电压需增大V G 25mv (2-3)40)5(由于两级 AD603 由同一电压控制，所以，步进 1dB 的控制电压变化幅度为25mv/2=12.5mv。由于 AD603