【毕业学位论文】(Word原稿)宽带放大器集成电路设计-控制理论与控制工程

1 宽带放大器 摘 要 本设计全部采用集成电路，具有硬件电路形式简单，调试容易， 频带宽， 增益 高 ， 态范围 宽 的特点 ，且增益可调，步进间隔小 。本宽带放大器以可编程增益放大器 核心，由三级放大器组成，前级放大主要是 提高输入阻抗，对 小信号进行放大；中间级为可变增益放大器，主要作用是 实现增益可调及能， 增益控制和 能都 由单片机控制，可预置并显示增益值，增益可调范围 1058进 1单片机自动调节放大倍数可实现 能，使输出电压稳定在 后级放 大进一步 增加放大倍数，扩大 输出电流，提升 放大器的 带负载能力，提高输出电压幅度。后级输出 接 峰值检波电路 ，检波电路输出 由单片机 采样并计算后 ，用液晶 显示屏 显示输出正弦波电压的有效值和峰峰值。 由于宽带放大器普遍存在容易自激及输出噪声过大的缺点，本系统采用多种形式 的 屏蔽措施 减少干扰， 抑制噪声， 以改善系统性能。 2 一、 方案论证与比较 1、 总体方案 方案一：选用结电容小， 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 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 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。系统方框图如图 1 1 1 3 图 1 1 1 系统总体方框图 2前级放大电路： 方案一：采用共源共基差分式放大电路，该电路具有较高的输入阻抗，并且共基 电路一方面可以扩展电路高频响应，同时又将共源电路负载电路隔离， 使负载电 阻产生的热噪声经过 合到输入端，可以达到 提高抗 噪声性能。但这种电路结构其 抗 噪声 能力 关键取决于所用器件，由于特性一致的晶体管和场效应管不容易购买，若采用一致性稍差的管子，其 抗 噪声性能会明显降低。 方案二：使用宽带运算放大器，采用反相输入形式可以抑制共模信号降低噪声，其抗噪性能不一定优于方案一，但电路形式简单，易于调试，能够满足题目的输入阻抗的要求故选取该方案。 增益及电压有效值显示 单片机 键盘 峰值检波 小信号 前级放大 放大器 增益控制 后级放大 输出 4 3增益控制电路： 方案一：利用电阻网络和拨码开关，手动调节增益，可实现增益控制，但硬件规模较大，控制繁琐且人机界面欠佳 ，另外，利用电阻网络实 现增益调节需使用不同阻值的高精度电阻，这种电阻价格昂贵且不易购买 。 方案二：可以用继电器或模拟开关构成电阻网络，由单片机控制以改变信号增益。 这种方案同样存在方案一 电阻网络的缺点，同时，如果使用模拟开关，其导通电阻较大，而且 各通道 信号 会互相干扰 ，容易 影响系统性能。 方案三：由单片机、 D/A 转换器和可编程增益放大器 片机通过对 控制 D/现增益调节。其外围元件少，电路简单，由于 宽 最大能达到 90益范围 有 40增益精 度在 精确实现增益控制 ，可以实现题目发挥部分减小增益步进间隔 的要求。所以本部分采用该方案。 4后级放大电路 方案一：采用晶体管单端推挽放大电路。该电路广泛应用于示波器、显像管中。通过多级深度负反馈和各种回路补偿扩展通频带。为获得较低的通频带下限频率，可用直接耦合方式，而直接耦合的多级放大器工作点调试繁琐，需要较丰富的实践经验。并且若要得到较 5 高的输出电压，晶体管放大电路对电源电压要求较高。 方案二：采用单片集成宽带运算放大器。提供较高的输出电压 ,再扩流输出 ,以满足负载要求 容易调试 ,故采用本方案 . 5 制电路 方案一：采用经典的 制电路如图 1利用检波电路从输出端得到一与峰值电压相关的直流分量送入误差放大器 ，控制结型场效应管，使其工作在可变电阻区，从而改变放大器增益以实现自动增益控制功能。此种电路形式较为成熟，但动态范围不是很大，且场效应管工作在可变电阻区时不易控制其压控电阻，调整有些困难。 信号输入 图 1 5 1 路方框图 方案二：使用 用集成芯片，如 类芯片外围电路简单，使用 方便，可以很容易得到恒定输出电压。但这类芯片输放大电路 误差放大 检波电路 增益调节 负载 6 入动态范围不大，输出往往为一伏值较小的恒定值，不利于本题显示输出有效值的要求。 方案三： 利用可编程增益放大器 通过单片机软件转换，可以将增益控制电路转换成自动增益控制电路。即通过峰值检波将输出信号峰值对应的直流分量送入 A/D，通过软件计算，利用 D/得输出电压稳定在一定的范围内，同时显示输出 电压 值。该方案无需外加硬件电路 ,可完全通过单片机对增益控制电路进行简单改进实现。经总体考虑 ,决定采用该方案。方框图如下（图 1 5 2） 输入 输出 图 1 5 2 由单片机控制的 路 值检波电路 A/D 采样 单片机 D/A 输出 7 二主要电路原理分析和说明 1 增益分配 本系统以可变增益增益放大器 核心，其它各单元电路都是根据 题目要求设计。 题目要求最大增益要大于 40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 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 。 最大输出电压有效值约为 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 2 6 2 ，为得到最大输出电压 ,则后级放大至少要有 5 倍。我们发现， 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 大输出电压的峰峰值为定为 2V 左右，则放大倍数 A 故后级需要放大 ，即 18.6 另外， 输入电压峰峰值为 ，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 入电压范围， 所以我们让前级放大 。 2 前级放大器 由于 入阻抗只有 100 欧，需加大输入阻抗才能满足题目要求，而且前级信号比较小，容易受噪声干扰，综合考虑。我们前 8 级放大采用 视频放大器 其带宽有 100接成 反相放大 形式 ，电路如图 2 2 1， 为了满足题目要求输入阻抗大于 1k，选取 2K， 7K，则放大倍数 A 127 2 2 1 前级放大器 3 增益控制电路： 2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（ 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 关，由于控制电压 的输入电阻高达50 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 增益用 示，则与控制 9 电压成线性关系，以上特点很适合构成本题要求的放大器。图 2 2 3 1 理框图 中的“滑动臂”从左到右是可以连接移动的。当 放大器的增益范围也不一样，带宽在9 90间 为加大中间级的放大倍数及增益调节范围，我们使用两片 2 3 2）。如果将 5 脚和 7 脚相连，单级 益调整范围为， 10 30 宽为 90级 联，使得增益可调范围扩大 到 20 60 满足题目要求的 1058增益调节。 10 图 2 3 2 级联 路图 两级 用 5V， 5V 电源供电，两级的控制端 一控制端 D/A 输出， 从而精确地控制 增益。 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 500 500增益调节范围为 40步进 1 ,控制端电压需增大 0 )500(500 25 由于两级 同一电压控制，所以，步进 1控制电压变化幅度为 25=由于 控制电压需要比较精确的电压值。 我们使用 12 位的 D/A 转换器 内部自带 10V 基准电压，其输出电压精度为12210 满足指标要求。 11 另外 ，通过 A/D 采样输出信号， 由 单片机计算后，再去 调整D/A 输出 电压 ，就可实现 能，扩大通频带。 单片机系统采用 核心，时钟信号采用 12体，扩展了 32k 的外部数据存储器，采样 28为外部数据存储器，可以保存预置增益值。采用可编程键盘专用接口芯片8279 扩展键盘；显示部分采用 128 64 的点阵液晶显示器， A/D 转换器用 D/A 转换器用 单片机系统方框图： 图 2 4 1 单片机系统方框图 89部数据 存储器 A/D 转换器 28 64 液晶显示屏 D/A 转换器 2 键盘 看门狗 12 键盘控制模块：用 8279 控制 8 2 键盘，键盘扫描方式采用编码方式 ， 由于 8279 能够自动消除按 键抖动，以及可以使用中断方式处理按键。所以，使用 8279 可以代替单片机完成键盘的许多接口操作，从而大大的减轻了单片机的负担，使单片机可以腾出更多资源。 液晶显示模块：本系统采用信利的 为显示器，该液晶屏是 128 64 的点阵液晶显示屏，可通过控制字实现指令和数据的写入，但显示数据占用的存储器空间太大，因此，系统上加了一个 512k 的 29将国标汉字点阵信息存放在 ，显示汉字时，只需给出内码，由内码算出该汉字点阵存放的地址，读取后送 显。汉字的内码有两个字节（ X， Y）， X，Y 为 16 进制数，由内码算汉字点阵在字库中存放位置的公式为： 10H（ X 0 5 Y 0 由于 29地址线超过 16 根，我们用单片机和 合控制它，单片机每次从字库中读出一个汉字的点阵信息共 32 个字节，所以由单片机给出高位地址， 出低五位地址，将字库中的点阵信息读入单片机。 D/A 转换器采用 12 位的 D/A 转换器，由它输出控制电压给 控制端 确控制 增益，达 到增益控制的目的。 A/D 转换器使用 12 位的 A/D 转换器，其管脚与 容，并带采样保持。用于采样输出信号，送由单片 13 机计算并显示输出正弦电压有效值及峰峰值，并与 D/A 配合实现能。 软件设计：由于本系统中单片机只起控制增益和显示的作用，所以软件设计比较简单。启动后进入增益控制界面，可以通过按键调节增益，步进 1可以切换显示输出正弦电压有效值和峰峰值，以及切换到 能。 5 输出级电路设计： 后级输出电路我们采用输入阻抗较高的同相放大形式（图2前面分析过，为得到最大输出电压 ,后级放大倍数至少为 A 则同相放大电路的增益 = 11 = 故 1 际应用时，选取 1 K。 14 图 2 5 1 后级放大电路 实测时，我们发现此电 路带动 600 欧负载有些不够，在频率较高时输出电压峰峰值有较大下降，频率增高后，由于压摆率 制，在高频大信号输入情况下，使得输出电压下降，故输出电流下降，导致带负载能力下降。 为此，我们采取扩大输出电流方式输出来驱动负载。给运放扩流输出有多种方式，最常用的为三极管射随输出，但会稍微降低输出电压幅度，对发挥部分中提高输出幅度有影响。为此我们在运放输出端加入两个并联的高速电流缓冲器来驱动负载 ， 如图 2我们使用的电流缓冲器 负载为 100 欧姆 时 最大输出电流 250单位增益带宽可在 30M 180M 变化，由于本题对功率要求不高，使用 全可以满足题目要求的指标。 15 图 2 5 2 后级输出扩流电路 6自动增益控制电路： 本系统的自动增益控制功能，实际是由增益控制电路转化而来。在输出级加入检波电路，检出直流电压送入 A/D 采样，经单片机计算后 控 制 D/A 输出， 此电压加到 增益控制端， 从而控制 增益达到使输出电压恒定的目的。 检波电路设计：由于本系统信号频率很宽，如 果 采用有源器件组成的峰值检波电路，在低频和高频段均有较大失真，不能得到与峰值线性 对应的直流电平。 所以我们 采 用无源峰值检波电路。 我们采用的检波 电路 如图 2 6 1， 16 图 2 6 1 检波电路 图中 为锗管，采用锗管因为其特性近似平方率曲线，变化较为平缓，二极管导通时电容充放电速度较为缓慢，输出幅度较为平坦，纹波较小。 证输入信号小于二极管导通电压时，二极管 能导通，进行检波， 一步抑制检波输出纹波，并将直流电压分压输出。该检波电路输出信号电压约为输入电压峰值的 1/6。 7电源电路设计： 整个系统需要的电源有 5V， 5, 12V， 12V。 5V/ 5器和 工作电源 12/ 12 是输出级 运放 工作电源 。 电源采用变压器变压后整流，滤波，再接三端稳压芯片 7812，7912， 7805， 7905。各稳压芯片都配有散热片， 。 满足系统要求 。 电路图如图 2 7 1， 2 7 2 17 图 2 7 1 正负 5V 电源电路 图 2 7 2 正负 12V 电源电路 18 输出 12 V 设计输出电流至少为 300 设电网交流电压变化范围为 15 20，在 电压变化为 U X 201(2 t 其中， U 16 V（变压器输出交流电压）， 为 7812、7912 最小压降。设计取滤波电容 C F3300 ，即可满足要求。同理输出 5 V 时取 C F3300 同样满足要求。 8电路布局及抗干扰设计： 由于放大器频带很宽，且级数较多，整个系统容易自激，必须采用有效措施抑制自激发生，因此电路布局对整个系统性能 起着至关重要的作用。 由于时间关系，我们采用通用 板 进行焊接。焊接时我们使信号沿同一方向传输，信号线 尽量 不交叉，保证所有连线做到“横平竖直 ”；数字信号和模拟信号地分别接地，防止模拟信号被数字信号干扰；加粗地线， 在每级 放大器 的 周围铺 一圈地，使得信号串扰被最大限度抑制掉。 每一级运放的电源都 从自制电源板直接引入， 并 加上去耦电容及扼流圈， 以减小 电源 纹波 对信号的干扰。 通过以上措施，我们整个系统的 抗噪性能得到明显改善，系统总体性能得到改善。 19 三数据测 试与分析 1测试使用的仪器 跟踪直流稳定电源 15数信号发生器 字万用表 4622D 100波器 流毫伏表 高频毫伏表 2测试数据： （ 1） 输入电阻： 测试方法：在信号源与输入端串一个 2电阻 （图 3，测量输入端的电压值，比信号源显示的电压小一半，可知，系统的输入电阻为 2 满足 题目要求的输入阻抗 1图 3输入阻抗测量 20 （ 2） 幅频特性 测试方法： 一般宽带放大器测 试有两种方法，即“稳态法”与“暂态法”。 根据题目要求的测试参数，我们选用“稳态法”测量。 “稳态法”是以正弦波作为输入信号，在频域内研究放大器的特性。根据要求采用点频法。 测试框图如图 3 3 2 1 测试数据：表中电压单位： V；频率单位： 3 2 1 输入电压有效值 益 34dB f 1K 5K 10K 50K 100K 500K 1M 3 f 2M 3M 4M 5M 6M 7M 8M 3 大输出电压有效值 宽 4 12 1宽 7 8信号源 宽带放大器 示波器 /电压表 21 表 3 2 2 输入电压有效值 益 34大输出电压有效值 最大输出电压下 3宽 4 71宽 试输入信号峰峰值 20 增益 40带宽 大于15所用信号源最大输出频率 15 图 3 2 2 图 3 2 5 分别为以上两个数据表格 3宽的两端频率的输出波形，这些图形是 合信号示波器上实际显示的波形。 f 1K 5K 10K 50K 100K 500K 1M .6 f 2M 3M 4M 5M 6M 7M 8M 22 图 310出最大值波形 图 3 输出电压最大值 23 图 31 出波形 图 33输出电压最大值 测试数据分析：由测试数据可知， 放大器的带宽随输出信号的增大而减小，而且其带宽减小是由于波形失真，分析可得，影响带宽的因素是运放的压摆率，如果采用压摆率更高的运放，在输出大信号时 24 可进一步提高带宽。 （ 3） 增益控制测量： 数据