放大器赛题芯片运用总结.docx

一、 宽带直流放大器：1、 输入小信号放大10DB的功能：双运放POA2690（低噪声高共模抑制比运放，最小可放大1mV 有效值信号；加电容进行补偿减小带内起伏）第一级做跟随器同时具有匹配阻抗的效果，第二级放大10dB 方便后级处理2、 5MHZ、10MHZ低通滤波器:LC巴特沃兹低通分立3、 -40DB40DB的程控放大：两级VCA810（低失调电压）级联（级联：保证在其频率带宽范围内幅频曲线稳定，为后级的功率放大电路稳定提供保证，单级放大倍数过大容易引起自激，且两级间进行50欧姆阻抗匹配防止自激）程控放大模块是数字和模拟结合的地方，采用光电耦合器将数字和模拟彻底分开4、 单片机AT89S52控制：实现放大器带宽和电压增益AV可预置并显示5、 功率放大器（浮电源技术）：采用集成运放THS3001（压摆率高，能支持15V的供电）扩压，MOSFET扩流实现放大（为解决自激，使得放大器工作在更高的频率，工作更稳定，带内衰减小，必须加入相位补偿和做好电源退耦）通频带内增益起伏控制：随着频率的增高，放大器的增益会随之下降，可以通过补偿电容（防止自激）来添加极点，进而实现相位补偿和增益补偿，这样就可以将放大器的增益在通频带内的起伏控制在最小范围内。抑制直流零点漂流：加入直流偏置调节零偏（此方法可以放大交流）二、 数字幅频均衡功率放大器：均衡器用于实现对带阻网络频率特性的补偿，以获得平坦的幅频响应。1、实现增益为500倍的放大:两级运放级联（1）第一级（高增益放大器，放大倍数为250）：低噪声、高精度运放OPA228（电压反馈型运放，增益增大时频宽变窄，用它来构建小信号的的高增益放大器，可以较好地抑制高频噪声）（2）第二级（放大倍数为2）：高精度运放OPA602（输入阻抗高的特性有利于小信号的提取）2、-1DB通频带为20HZ20KHZ的带通滤波：有源带通滤波器1、 带阻网络（图见题目）：对前置放大电路输出信号进行滤波，最大衰减10dB2、 数字幅频均衡模块：由A/D采样、FIR滤波器、D/A转换与低通滤波器组成（A/D采集经过衰减后的信号，用FIR滤波器对采集数据进行滤波，通过D/A转化与低通滤波后，输出均衡处理后的波形）（1） A/D采样电路：高精度16位并行A/D转换器ADS8505（输入电压范围为10V），采样频率应为最高频率分量的4倍（采集信号的频率范围为20HZ20KHZ，即80KHZ）（2） 数字幅频器（对固定网络进行幅频均衡）：直接型串行有限冲激相应滤波器（FIR）（运算误差小，可保证系统的稳定性）（3） D/A转换电路（通频带内输出波形的电压幅度波动在1.5DB以内）：高速、14位DAC904（4） 低通滤波器（平滑滤波器：保证输出波形不失真）：8阶低通椭圆滤波器MAX297（能较好地滤除高频噪声） 开关电容滤波器具有陡峭的衰减特性5、-3DB通频带为20HZ20KHZ的带通滤波：有源带通滤波器6、功率放大电路（甲乙类推挽功率放大器：应题目要求效率60，-3dB通频带为20Hz20kHz，输出功率10W，输出电压波形无明显失真）：（1） 前级（3.5倍预放大电路）：AD844（2） 后级：由NMOS管与PMOS管组成互补推挽输出如果功放功率较大，要采散热片对晶体管进行散热保护7、幅频特性测试仪（带阻网络幅频特性的测量与显示功能）：采取复用ADC与DAC的方式，基于直接数字频率合成原理输出扫频信号，通过采样量化与数字峰值检波，测量经过网络后每个频点的峰峰值，即可获得带阻网络的频率特性，进而利用MATLAB工具设计出FIR滤波器的系数，同时，带阻网络的频率特性曲线可在液晶屏上显示出来三、 低频功率放大器用三级放大器实现增益60DB末级功放管采用分立的大功率MOS晶体管增益放大倍数10DB320DB830DB3040DB901、 带阻滤波器10-50K范围的通频带：通过用前级一个低通滤波器后级连接一个高通滤波器来达到带阻的要求（便于计算，可更好地提高通频带的范围，可使电路更加精确），放大器外接电阻电容来达到要求的通频带范围2、 前级电压放大器（用两级放大电路组成）： （1） 第一级：专用放大器NE5532（接成同相比例电路），放大20倍 （2） 第二级：专用放大器NE5532外接可调电路（调节通频带范围），放大输入信号，达到20DB的要求 前级用集成电路可以提高电路的稳定性，有效地提高放大倍数3、 输出级功率放大器（甲乙类状态）：MOS管430和114 （两个分立的N型管和P型大功率MOS晶体管）搭建开关型电路（可提高功率，增加功耗，提高带宽），使它们工作在开管的工作状态下用MOS噪声小，稳定性好，简单成本低，易于调试甲乙类状态可保证在要求的带宽范围，减少失真，同时也可以提高效率4、 液晶显示：单片机 利用单片机计算功率：在电源的输出级加一个放大可调的电路，来计算电源的功率；计算输出的功率是在负载上采集电压，通过单片机计算，再用液晶显示；直接在电源输出级采集电压，可提高采集的稳定性，使单片机在计算时更加的精确利用液晶显示可降低功耗信号源不能保证不同频段的10mV正弦波幅度稳定，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，再测量输出信号四、 可控放大器：分级设计匹配互连的思想1、 放大器（为了达到60DB增益采用两级放大，总的放大倍数为第一级放大倍数与第二级放大倍数的乘积）：（1） 前置放大电路：运算放大器F353（输入电阻高，输出电阻很低，负载能力高，增益带宽为4M）（2） 程控增益放大电路（将给定信号放大一个由软件设定的增益后输出）：通过模拟开关（CD4051），改变反馈电阻阻值，从而改变放大器增益“运放+模拟开关+电阻网络”这种方法通用性强，效果显著2、 滤波器：可编程开关电容通用滤波芯片MAX261MAX261可以同时对两路输入信号进行二阶低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理，可用微处理器编程控制，不需要外部元件，可靠性高，通过单片机（89S52）对该芯片6个输入端进行有效设置，滤波器的中心频率在15KHZ50KHZ频率范围内实现64级程控调节，其Q值在0.564范围实现128级程控调节 输入采用4013分频并用模拟开关控制89S51的ALE信号送到MAX261的CLKA和CLKB引脚作为时钟信号及晶振频率1/6及2MHZ作为MAX261的外部时钟频率3、 程序控制：单片机AT89S52 对可编程滤波芯片进行程序控制，直接驱动数码管显示抗干扰措施： 在电源端并接0.1uf的电容避免电源的高频干扰； 在电源端并接20uf的电容避免电源的低频干扰；减少噪声： 构建闭路环，整个运放用较粗的地线包围，可吸收高频信号避免高频增益下降（避免自激）： 所有信号耦合用电解电容两端并接高频瓷片电容五、 程控滤波器：系统以单片机和FPGA 为控制核心，由可控增益放大、程控滤波、椭圆滤波、频率特性测试4 部分组成1、 放大模块由衰减网络（由信号源给入的信号经衰减网络衰减500 倍）、LF256、AD603、TLV5638、OPA637、AD818 、MAX309 组成。可控增益放大： 前级射随（低输入失调电压的电流运放LF256）采用高共模抑制比电路（缓冲，隔离前后级影响），后接可变增益放大芯片AD603（控制电压和增益DB呈线性关系G（dB）=40VG+G0（短接5、7 脚，可使G0=10 dB），单通道、宽频带、低噪声、高增益精度的VGA 芯片，最大增益误差为0.5 dB，输出峰值最大可达3 V），通过串口、电压输出型16 位DA 转换芯片MAX541 来控制1 脚电压，2 脚用20 k 和10 k 的电阻对基准芯片REF5025 提供的基准电压进行分压，并联三路固定增益放大芯片AD818（低功耗视频运放，最大输出峰值为13.7 V）、OPA637（精密高速运放， 最大输出峰值为12.3 V）、LF356（JFET 输入运放，最大输出峰值为13 V）固定增益放大模块去耦：用0.1 F 和10 F 并联2、 滤波器模块：（1） 数控可调电阻：CMOS 四通道、12 位、串口输入电流型D/A 转换器MAX514（利用电阻网络和模拟开关，将二进制数D 转换为与之成比例的模拟量的器件，通过控制D，可以控制等效电阻值）（2） 程控滤波：二阶状态变量滤波器OPA4228（使用状态变量法建立起来的滤波器，也称多功能滤波器，可以实现低通、带通、高通滤波器功能，通过调节C 和R 及DAC 位数，可以改变中心频率，调节Q值，从而扩展频率范围），两个级联，并将DAC等效为数控电阻，使得截止频率可调（程控滤波模块采用状态变量滤波器实现截止频率调节及滤波器类型的选择）（3） 椭圆滤波：四阶椭圆低通滤波器（通用运放LM741）用Filter solution 10.0 设计滤波器椭圆滤波器采用有源网络实现；其后的功放采用高性能视频运放AD811，驱动1 k 负载3、 频率特性测试仪：通过AD9851 产生扫频信号，输入滤波模块，经过AD637（真有效值-直流转换芯片）真有效值检波，测信号幅值，经过A/D 转换芯片ADS7818 采入FPGA测试滤波器频率特性4、 示波器输出：数模转换芯片DAC7611，由两路D/A 进行扫频5、 系统软件设计：由单片机和FPGA 组成，单片机主要管理用户输入输出和系统控制，FPGA 完成D/A、A/D 控制、AD9851扫频信号产生及通道选择六、 宽带放大器：自动增益控制（AGC）功能：AGC电路常用在接收机的中频或视频放大器中，其作用是当输入信号较强时，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（有时由于接收环境的不同、外界干扰的影响，接收 j信号的强弱可能变化很大，特别是传输图像信号时，由于频带宽、电磁干扰严重，不可能无畸变地远距离传输。当信号较弱时，图像的对比度变小，清晰度差且同步不稳定，无法成像；当信号较强时，会使后级接收端放大器进入饱和区和截止区，导致信号严重失真，而且还会将同步脉冲切割掉，得不到良好的图像），故AGC电路实质是一个负反馈电路，稳定性好，可控范围大1、 前级放大电路（带AGC部分）：采用高级压控增益器件，进行合理的级联和阻抗匹配（1） 前级放大电路：可调增益宽带运算放大器AD603 （其内部由R2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯型网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定，而这个参考电压可通过单片机进行运算并控制D/A芯片输出控制电压得来；此外，AD603能提供由直流到30MHz以上的工作带宽，单级实际工作时可提供超过20dB的增益），两级级联放大，放大倍数由单片机通过D/A转换提供的电压控制；AD603的Vg(=V1-V2)根据公式：增益GAIN=40Vg+20(dB)来设定，而在AGE模式下，此控制电压vg是由AGE电路的反馈电压得到，不受单片机控制（2） AGC电路：取出放大器输出的峰值作为增益的控制电压，使最终输出的电压信号保持在某一峰峰值之间，输出较稳定的视频信号 由三极管2N3904和电阻组成一个检波器，用于检测输出信号幅度的变化，由电容形成自动增益控制电压Vage，流进电容的电流为三极管2N3906和2N3904两管的集电极电流之差，而且其大小随第二级AD603输出信号的幅度大小变化而变化，这使得加在两级放大器AD603的1脚的自动增益控制电压Vage随输出信号幅度变化而变化，从而达到自动调整放大器增益的目的AD603为单通道、低噪声、增益变化范围连续可调的可控增益放大器。带宽90MHz时增益变化范围为-11+31dB；带宽为9MHz时为95ldB。增益变化范围可分三种模式进行控制：当5脚与7脚断开时，增益变化范围为95ldB，当5脚与7脚短接时，增益变化范因为-11+31dB，当5脚与7脚之间接一电阻时，可使增益变化范围进行平移。AD603的简化原理框图如图所示，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，以上特点很适合构成程控增益放大器。共模干扰问题：前置放大器采用单端输入方式，这时要求运算放大器的另一个输入端与信号输入端阻抗平衡，否则在相位相同的电磁干扰情况下，将产生共模信号输出提高输入阻抗：在输入前级用三极管搭设射极跟随器（AD603输入阻抗为100 Q，低的输入阻抗将带来如功率、阻抗匹配等若干问题，）取p=150的高频三极管，取Re=1k Q，使输入阻抗大于150kQ去除50Hz工频干扰和低频干扰：级间加入的串联电容可以与AD603的输入阻抗形成一个高通滤波器，转折频率为l/2RC，其中R为AD603的输入阻抗100 ，C为典型的104磁片电容，得结果约15kHz，经测试正好满足衰减3dB起始点为lOkHz，从20kHz开始幅频特性曲线平坦的要求2、 后级放大电路（典型的单电源供电的对称互补电路）：分立元件搭建推挽互补输出放大器（可以经过计算得到最合适的输入输出阻抗、放大倍数等参数，电阻电容可根据需要更换，较集成电路灵活），形成负反馈互补输出级，达到大于8V的有效值输出三极管的选用：B649A和D669A高频孪生对管（晶体管的ft在很大程度上决定了放大器的带宽）因为有源负载的频率特性和噪声特性较差，因此我们在电路中采用电阻做负载减少空间辐射带来的干扰：使用分立元件制作后级放大器时，在指标允许的情况下，尽量降低输入阻抗保证电路工作点稳定性：使用电容电阻将输入端和输出端相连，以引入负反馈3、峰值检波电路：AD637真有效值检测器将输出的交流电压信号取样回来经过二极管和电容进行峰值检波，并经过高精度运算放大器进行衰减和保持后输入A/D转换器转换为数字信号进行显示，这样精度可以得到保证，不过会有一定的管压降，使用检波用肖特基二极管大概会有0.2V压降，完全可以通过单片机进行显示上的补偿4、显示与控制： ADUC812单片机单片机是整个放大器控制的核心部分（应用单片机和数字信号处理技术对增益进行预置和控制；显示、控制和数据处理模块除可以程控调节放大器的增益外，还可以实时显示输出电压有效值），它主要完成以下功能：接收用户按键信息以控制增益、接收峰值检波电路的反馈电压以计算有效值、对AD603的增益控制电压进行控制输出电压经峰值检波电路得到，反馈到单片机，经运算和线性补偿得到有效值，同时单片机推动数码管显示出来开环增益手动控制的基本思路：ADUC812单片机通过74LS373给AD7520赋值，电阻RO用于调节AD7520的参考电压，从而由AMPI得到D/A结果，再由AMP2幅度搬移至前放所需的控制电压-0.5+0.5V之间，提供给两AD603的1脚来控制 七、 高效率音频功率放大器：1、 功率放大电路：采用D类功率放大器确保高教率，在5V供电情况下输出功率大于lW，且输出波形无明显失真，低频输出噪声电压很低(输出频率为20kHz以下时，低频噪声电压约ImV) ，波形放大效果良好，用合理的滤波网络可以进一步克服高频干扰（1） 脉宽调制电路（PWM）自行设计三角波发生电路（555芯片）、误差放大电路及电压比较器，达到脉宽调制的目的，其中关键部分为三角波发生器（D类放大器要求三角波频率高、线性好），为了保证三角波的高频率及良好的线性，选用555定时器恒流源充放电电路产生三角波（利用555组成的多谐振荡器的C4充放电特性加以改进，实现C4的线性充放电获得三角波，利用T1、T2和R6构成的恒流源对C4实现线性充电，利用T3、T4和R7构成的恒流源实现对C4的放电，电容C4上的三角波经T5射极跟随器输出），误差放大器（通过以OP-37运算放大器为核心加上相关元件形成反向比例放大电路，将输入信号按比例放大以便与三角波比较）及电压比较器（作用是将误差放大器输出的波形与三角波发生器输出的波形进行比较，输出一个脉宽与误差放大器输入信号幅值成比例的可变脉宽方波；三角波频率远远高于输入信号频率相当于对输入信号采样点大大增加，从而保证还原后的波形不失真）分别采用OP-37及LMI39（四比较器集成电路，两个输入管脚的静态电位要相同）实现。优点在于可产生合乎要求的脉宽调制信号，其占空比从01任意变化，且全部器件均可由+5V电源直接供电（2） 高速开关电路： 死区时间的建立：通过逻辑门和延时电路实现此功能（为了获得一对反向的调制方波，且高电平部分不应叠加，即存在间隙死区时间）死区时间不应超过调制脉冲的1/10，否则输出的波形将出现明显的失真；另外，死区时间也不可过短，否则桥路管于将会共同导通，在极短的时间内大电流将从几个MOS管同时流过，造成电能的损耗，使整体的效率下降，甚至烧毁管子，所以死区时间的建立是整个D类放大器性能提高的关键之一 高速门电路（驱动电路除注意其驱动能力外，还应注意要使其反应尽量快，提高对窄脉冲的反应，以保证对波形的完整还原）：低功耗的高速MOS管（采用H桥电路，四个MOS管通过驱动两轮变换方波脉冲饱和导通放大调频脉冲，其峰值达5V左右）的D极和S极间反向并联上高速二极管（D17一D20），使电感（L1、L2）上产生的电流在死区时间内快速泄放，以保证下一个调制脉冲的电流正常工作，否则桥臂会出现电流的停滞，输出波形将会出现失真、幅值过小等（3） 滤波电路（脉冲经滤波网络后就得到放大的正弦信号，并且克服了高频干扰）：主要功能是滤除高次谐波，还原调制波中所带载的低频信号；其中滤除效果的好坏主要取决于与负载相并联的电容的大小：电容越大，滤波效果越好；但是电容越大，放大器的频带宽度、放大倍数及效率都会受到影响；选择47uF的电容，可使上述三者达到较好的优化；选择20 H的电感，会大大提高三者的指标一般的D类放大器电路的工作原理：用“振荡发生器”输出的三角波与来自外部的模拟音频信号进行比较，在“脉宽调制比较器”输出端产生一个其脉宽变化与音频信号幅值成比例的可变脉宽方波,此方波通过“数字逻辑电路”在A节点和B节点输出反相的方波;在音频信号的前半周（正电压），脉宽调制方渡的占空比小于50 ，A(或B)节点为高电平，使高端MOS管饱和导通，输出瞬时脉冲电压Vcc-0=Vcc;在音频信号的后半周(负电压)，低端MOS饱和导通，电压0-Vcc=-Vcc。将输出的脉宽调制电压经LC低通网络滤除高频成分，在负载端得到与输入模拟信号相似但被放大了的电压2、 信号变换电路（采用差分放大电路，将双端输出信号变为1：1的单端输出信号）：采用精密放大器AD52l（具有高输入阻抗、悬浮输入、高共摸抑制比、高精度、低温漂和低噪声等特点，连入网络之前要调零），使用AD52I设计的信号变换电路能很好地保持输入信号的特性且干扰很小（放大器的放大倍数应为10才能使变换电路总的放大倍数为1， 将功率放大器双端输出信号转换为单端输出）3、 辅出功率显示电路（功率测量电路）：使用模拟电路，将电压值变换为功率值（用乘法器电路及带A/D转换的电压表头显示功率值），由于P=U2/R，所以将信号变换电路输出电压经乘法器（AD533，电路要调零，内部运放的放大倍数调节变比）产生平方值电压（因为在负载一定时(8)，功率与电压的平方成正比，所以我们将变换电路的输出接低通网络后再接入由乘法器搭成的平方电路），平方电路的输出接滤波网络变为直流，取相应比例（分压）后电压值恰好与功率值相等，再将此电压值送至三位半表头显示，即形成了功率测量装置4、 保护电路：采用电流互感器监控，用电流互感器取主电路电流，经变换后送到滞回电压比较器，形成短路保护信号，进至高速开关电路，锁定脉宽调制信号输出，达到可靠的输出短路保护功能八、 测量放大器：1、 直流电压放大部分：主放大器：高阻测量放大器放大器放大倍数的预置：十进制码盘输入端采用电压跟随器以提高输入电阻, 而电压放大由单级放大器（OP27 通用集成运算放大器：开环增益为1800V/ mV、等效输出噪声电压为0.08V、共模抑制比为120dB、增益带宽为8MHz、最大电源电压22V、最大共模输入电压22V）独立完成, 在电压跟随器输出端通过电阻分压的办法使跟随器输出电压衰减1 倍, 以使担任电压放大运算放大器的输入电压同信号输入端电压幅度相同；同时通过码盘开关切换反馈及平衡电阻来实现降低整机电路噪声电压及预置显示放大倍数的要求2、 电源部分：采取二级稳压以保证电源稳定度增加电磁屏蔽罩以降低电磁干扰3、 信号变换部分：自行设计信号变换电路进行信号的转换为了降低电路总体噪声电压、信号变换部分采用两个运算放大器（OP27）分别对输入信号进行同相与反相放大, 以便在输出端得到双端电压信号, 为了保证输入端与输出端电压幅度保持一致, 在两个运算放大器输出部分采取电阻分压的方法, 以便达到电平匹配九、 实用低频功率放大器：采用分立的大功率MOS晶体管该放大器主要由稳压电源模块、带