宽带放大器课程设计报告.doc

摘 要 本设计宽带直流放大器中核心部分以高速低噪声运算放大器OPA300和可调线性增益放大器VCA822对信号进行放大。将一片OPA300与两片VCA822进行级联，基本部分中调节每一级的电位器对应地改变每一级的放大倍数，从而使整个系统的电压放大倍数进行连续变化，满足了要求；发挥部分中以AT89S52单片机为核心，控制DAC0832的电流输出，再经电流变电压后输入至放大器从而对信号进行了放大。本设计利用了高性能的芯片提高了系统的稳定性、准确性和抗干扰性。目 录一、方案论证与比较.4二、理论分析计算1. 带宽增益积、通频带内增益起伏控制、线性相位.52. 抑制直流零点漂移.53.放大器稳定性.53、 系统简介及单元电路分析1 系统简介.62 单元电路简介.62.1 直流稳压电源.72.2 宽带直流放大器电路.72.3 单片机系统电路.72.4 DAC0832电路.8四、系统软件设计.8五、系统测试1. 主要测试仪器.82. 测试方案.83.测试结果.8六、总结.9七、附件.11一、方案论证与比较 改变放大器的增益，一般有两种途径，一种是改变反相端的输入电阻，另一种是改变负反馈电阻阻值。 方案一：如图1所示，采用模拟开关或继电器作为开关，构成梯形电阻网络，单片机控制继电器或模拟开关的通断，从而改变放大器的增益。此方案的优点在于简单，缺点是电阻网络的匹配难以实现，调试很困难。 方案二：如图2所示，非易失性数字电位器改变电阻，克服了模拟电位器的主要缺点，无噪声，寿命长，阻值可程控改变，设定阻值掉电记忆。该方案优点是增益范围宽，占用P口少，成本低，通频带取决于运放的通频带，但是不能进行连续变化的调节。 方案三：用AT89S52单片机控制DAC0832的输出电流，经过运算放大器后将电流转换为对应的电压后加入宽带放大器的反相输入端，键入所需要的放大倍数从而改变整个宽带放大器的。如图3所示 方案四：如图3所示采用普通的3个电位器，分别用手动的方式改变宽带放大器每一级反相端的输入电阻或者负反馈电阻阻值。用螺丝刀转动电位器的这种方法可以很容易实现放大器对信号的手动连续可调，并且能够保证每一级的放大都可保持在放大极限范围内。 在本题中，基本部分电压增益要求为040dB手动连续可调，3dB通频带为05MHz，放大器输出电压无明显失真，发挥部分要求电压增益为060dB，3dB通频带为010MHz。由于输入信号幅值很小、通频带很宽，所以我们选用一片高速、高精度、低噪声的运算放大器OPA300以及两片宽带线性可调增益的放大器VCA822进行级联。 在基本部分中我们采用方案四，电位器调节每一级放大器的反向端输入电压和反馈端的电压的手段，实现电压增益为40dB，手动连续可调，通频带为05MHz，放大器输出电压无明显失真。在发挥部分中我们采用方案三，用单片机控制调节DAC0832转换的电流后经过电流电压转换实现对宽带放大器反向输入端的电压变化，使输出的信号进行放大。二、理论分析计算 1带宽增益积、通频带内增益起伏控制、线性相位 带宽增益积是指放大倍数为1时所对应截至频率的值。 本设计中所选用的芯片OPA300是高速低噪声运算放大器和VCA822是可调线性增益放大器，其性能均非常稳定，抗干扰能力强。 系统电路中OPA300的带宽增益积是150MHz,VCA822的带宽增益积也为150MHz，在发挥部分中要求3dB的通频带为010MHz，而10MHz远远小于150MHz的宽带增益积，所以芯片能够很好地保证通频带内增益起伏变化非常小，满足任务的要求，在本系统中就没有添加对增益起伏控制的电路。 由于芯片所提供的良好性能，使得信号在通频带内的幅频特性非常平坦，而线性相位是幅频的倒数，所以线性相位在通频带内也非常平坦。 2抑制直流零点漂移 本系统中，在宽带直流放大器电路的后两级即2片VCA822的反向输入端中加入抑制零点漂移的电路。电路如图5所示 宽带放大器的后两级均加入抑制零点漂移的电路，调节10K的电位器即可。 3放大器稳定性 本系统的放大器稳定性是决定电路工作的关键因素，其直接影响到了电路的正常工作。所以解决了放大器的稳定度问题可以较顺利地完成后面的任务。 频率升高会引起电路的自激，这个问题将会导致整个系统不能正常工作，可在各级之间加入铁皮盒进行屏蔽、每一级以及电路电源部分均加入电源滤波电容，将器件整体布局合理、导线走向简单及导线长度尽可能短，并且让宽带直溜放大器的地与两个直溜稳压电源三点共地，这些都可以有效地提供放大器的稳定性。三、系统简介及单元电路分析 1系统简介 本系统是由2片可调线性电压增益运算放大VCA822和1片高速低噪声精准运算放大器OPA300为核心构成。系统原理框图如图6所示 系统主要由两部分组成，即基本部分所要求的电路与发挥部分所要求的电路。基本部分中不用单片机进行控制，用手动的方式调节每一级电位器即可完成基本部分的要求；发挥部分中有要求电压增益可预置并显示，可在01000倍进行调节、步距为5dB、放大器的带宽在5MHz和10MHz之间进行预置与切换，所以用AT89S52对DAC0832进行控制，之后经过运算放大器将电流转换为电压输入至宽带放大器的反向输入端，键入所需要的放大倍数即可完成对信号5dB步距的要求。 2单元电路简介 21 直流稳压电源 电路电路如图7所示. 本系统中的直流稳压电源采用了6个3端集成稳压器，分别提供了15V、12V、5V，并用导线分别将其引出。为了提高直流稳压电源稳定性，每一片稳压管都安上散热片固定的方法使得稳压管在工作的时候能够有效的散热，减小了直流稳压电源的热噪声，保证了提供给宽带放大器电路的电压稳定性好，使得整个系统可以正常地工作。 22 宽带直流放大器电路宽带直流放大器电路是本系统的核心，其是否能正常工作决定了该系统的成败，所以设计好宽带直流放大器的电路就可以完成后面的任务。电路如图8所示宽带直流放大器电路是由处于第一级的一片高速低噪声芯片OPA300与两片处于二、三级的两片可调线性增益放大器VCA822级联构成。 第一级中，由于OPA300的工作正负电源在2.5V幅左右，所以用两片三端可编程并联稳压二极管TL431分别提供OPA300正负电源端电压。在电压输出端与反向输入端之间接5K的电位器，当输入信号加入到反向输入端时，适当地调节电位器即可完成对信号的放大。第二级和第三级中，直接用直流稳压电源提供的5V即可。通过两个调节电压放大倍数的电位器调节来适当地调节信号的放大倍数来完成三级级联对信号的放大，每一级调节的电位器均调节在使信号不失真，电路不自激的情况下即可。为了消除直流零点漂移，在二、三级的同相输入端前加入10K的电位器就可以完成。 23 单片机系统电路 本设计单片机系统采用AT89S52为控制核心，通过数据口给分别给DAC0832送值；以液晶显示屏显示宽带放大器的放大倍数及预置的带宽，提供了友好的人机界面；用4个独立按键来控制两个DAC0832的数据输出变化，分别控制了二、三级的放大倍数，从而达到发挥部分中步距5dB的要求。如图9所示 24 DAC0832电路 两个DAC0832电路图原理一样，由于输出的电压为03.3V变化，根据Vo= -（x/256）* Vref ， x为单片机提供的数据、Vref为基准电压，所以需要经过三端可编程并联稳压二极管TL431提供-3.3V的电压给两片DAC0832才可以得到。再经过电压转换电路将03.3V的电压变换为-1V+1V输入至VCA822的Vg端即可。电路如图10所示四、系统软件设计 本系统软件设计严格依赖于硬件电路的正常工作，用软件来完成发挥部分中电压增益和放大器带宽可预置显示，预置范围为060dB步距5dB可调功能。根据Au2 = 10(Vg2+1) = 10 * ( Vdac2 /1.6 ) 6Vdac2 ,Au3 = 5 * ( Vdac3 / 1.6 ) 3 Vdac3把需要的放大倍数存在程序中,软件流程原理图如图11 五、系统测试 1主要测试仪器 RIGOL DS5062M 数字双踪示波器、直流稳压电源、SG1005信号发生器、GF1056高频信号发生器 2测试方案 采用信号发生器与示波器组合的静态法进行幅频特性测量 3测试结果 测量工具：RIGOL DS5062M 数字双踪示波器、SG1005信号发生器、GF1056高频信号发生器、直流稳压电源 测量方法：在低频下将SG1005信号发生器接入宽带放大器的输入端，用双踪示波器分别观察信号发生器的信号和放大器的输出端，记录两个波形的峰峰值及有效值。 测量数据：表1（测试条件：Vi rms=8mV）f(Hz)01001k10k100k0.3M0.7M1M1.2MVo rms(mV)860855862853858850854860863f(Hz)1.5M1.8M2.1M2.5M2.7M3M3.5M4M4.5MVo rms(mV)855830840830812795763780732f(Hz)5M5.5M6M7M8M9M10MVo rms(mV)693671647566520466410 由表1及观察结果可以推出， 当Vi rms=8mV时即小于20mV时，电压增益Av最大可大863/8=107.875，满足了Av40dB的要求，用手动的方式调节放大倍数可完成040dB的要求。 Vo rms最大值可达1.3V，没有满足Vo rms2V的要求，但波形未失真。 3dB的截至频率为863mV*0.707=610.141mV时所对应的频率，为6.5MHz，满足了通频带在05MHz的要求。由于所用芯片OPA300低噪声，通频带为150MHz，远远的高于10MHz，所以通频带内的增益起伏非常小，满足1dB。 放大器的输入电阻为200，满足Ri50的要求，负载电阻R=51，满足502的要求。 用集成3端稳压器完成了本设计所要求的直流稳压电源，并在正文中三-2-1进行了详细描述满足了要求，其电压数据如表2所示。表2稳压器型号780579057812791278157915实测电压（V）4.97-5.0111.98-11.9715.01-14.99 宽带直流放大器的最大电压增益在Vi小于10mv的情况下可达140倍即43dB，没有满足电压增益60dB的要求。采用低频信号时，Virms可低至5mV。输出电压有效值没有满足Vorms10V，但波形始终没有失真。 将输入端短接，在Av=100dB时，用示波器观察到输出端的噪声电压峰峰值Vonpp=9.6mV，满足Vonpp0.3V的要求。 测量出最大截至频率为6.5MHz，与10MHz的截至频率有一些差距。 利用单片机进行控制，可达到预置的效果，对二、三级进行程控放大，增益步进分别为32阶、16阶，满足了步进预置的效果，并且步进小于5dB，满足要求。 采用了线性稳压电源并且在稳压器安上散热片，纹波极低，有利于信噪比的提高。在级间加入铁皮盒进行屏蔽；对每个电源端及各个芯片的电源引脚都进行电源滤波；使器件及导线均布局合理紧密；使电源及器件的三地公用一点即单点共地，这些都较好的改善放大器的性能。 六、总结 在此次课程设计期间，我们小组3个人完成了任务的基本要求，并能够正常工作，但是对于未能够完成任务的部分要求而感到有些不足。 总结了原因有以下几点： 个人的能力水平有限，还不能够解决某些问题，导致了系统没有全部完成，需要在以后多多提高自己的能力； 由于是信号放大的题目，高频信号对于器件的布局以及导线的走向都要求极高，我们用万能焊接板的方法不足以消除分布参数以及导线的长度带来的全部问题，如果能够用PCB进行合理的布局，情况会很好的改善； 在调试过程中，总是遇到电路自激的现象，而且不能很好的解决，在安上铁皮盒对级间进行屏蔽、地线很好的共地连接后，电路的自激现象得到明显的改善，但是没有能够实现放大1000倍的要