程控宽带直流放大器的设计

1、china_ 第3章 程控宽带直流放大器的设计 china_本章导读本章导读 本章将介绍一种增益可调、通频带可预置的程控宽带直流放大器，其中包括了宽带直流放大器的原理、硬件的制作、软件程序的编写及系统的调试等。 china_3.1 设计任务书 设计任务书的作用是让设计者了解本系统设计的目的、意义，有关的要求以及整个设计的时间安排，只有这样才能高质量地完成系统设计。 v3.1.1 宽带直流放大器概述 放大器是能把输入信号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。放大器作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域

2、内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器按其工作频带的宽窄划分为：窄带高频功率放大器、宽带高频功率放大器。 窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器。 宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。 china_3.1 设计任务书 放大器可以按照电流导通角的不同，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360，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等

3、于180；丙类放大器电流的流通角则小于180。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。 声音信号、自然界信号往往是从直流成分到几十赫兹带宽内、高内阻、弱信号，需要对这些低频弱信号进行放大后再进行采集，这就需要放大器具有很好的直流特性。宽带直流放大器与其他放大器的最大区别就在于它的直流、低频信号处理能力。 china_3.1 设计任务书v3.1.2 设计的目

4、的与意义 设计的目的：设计并实现一种增益可调、通频带可预置的程控宽带直流放大器。以增进实验者对于放大器各个性能指标的认识，同时培养其对于人机界面设计的能力。 设计的意义：随着通信技术和微电子技术的发展，宽带放大器在科研中具有重要作用。其广泛应用于A/D转换器、D/A转换器、有源滤波器、波形发生器、视频放大器等电路。这些电路要求运算放大器具有较高的电压增值，较宽的频带宽度，较平稳的幅频特性曲线。然而大部分宽带放大器不具备很好的低频特性。在自动控制及自动测量系统中，需要把一些非电量（如温度、转速、压力）等参数通过传感器转变成电信号，这些微弱的电信号经过放大之后就可以使数据的记录更加精确。这些电信号

5、大多是变化极其缓慢且极性是固定不变的非周期型号（直流信号），它需要直流放大器放大。 china_3.1 设计任务书v3.1.3 设计的要求 1. 最大电压增益AV60dB，输入电压有效值Vi10 mV。 2. 在AV60dB时，输出端噪声电压的峰峰值VONPP0.3V。 3. 3dB通频带010MHz；在09MHz通频带内增益起伏1dB。 4. 最大输出电压正弦波有效值Vo10V，输出信号波形无明显失真。 5. 进一步降低输入电压提高放大器的电压增益。 6. 电压增益AV可预置并显示，预置范围为060dB，步距为5dB（也可以连续调节）。 7. 了解相关理论，对各种设计方案进行对比，找出最合理

6、的方案。 8. 完成硬件设计及制作并编写相关的软件程序。 9. 完成系统调试，使系统能正常工作。china_3.1 设计任务书v3.1.4 设计及论文的时间安排 第一部分 阅读相关资料，学习相关理论知识（3周）。 第二部分 设计系统的总体设计方案（3周）。 第三部分 绘制PCB版图并完成硬件系统（3周）。 第四部分 编制相应的软件设计（2周）。 第五部分 系统各模块调试以及系统总体联调（2周）。 第六部分 完成论文写作（3周）。 第七部分 评阅及答辩。china_3.1 设计任务书v 3.1.5 摘要 随着通信技术和微电子技术的发展，宽带放大器在科研中具有重要作用。本系统设计并实现了一种增益可

7、调、通频带可预置的宽带直流放大器。它由四个模块构成：前级放大电路（带AGC部分）、后级放大电路、补偿滤波器和单片机显示与控制模块。在前级放大电路中，用LMH6505两级级联放大输入信号，输出放大一定倍数的电压，经过由AD811构成的后级放大电路达到大于10V的有效值输出。C8051F20单片机通过D/A转换器可实现AGC、电压增益预置及通频带预置。电压增益与带宽测试表明：随着频率增大，输出幅值有所衰减，但010MHz内幅频特性曲线在3dB通频带范围内；系统引入的噪声电压峰峰值为0.26V0.3V。该放大器功耗低、性价比高，并且性能非常稳定。 关键词：宽带，直流，AGC，放大器 china_3.

8、2 引言 v3.2.1 研究背景 随着电子、计算机等技术的发展，人们需要能够远距离、随时随地地传送信息。于是，各类通信技术得到了迅猛的发展，技术也越来越成熟。宽带放大器在通信系统和电子系统中占据极其重要的位置，实际运用对它的要求也越来越高。宽带直流放大器在科研中也具有重要作用，它广泛应用于A/D转换器、D/A 转换器、有源滤波器、波形发生器、视频放大器等电路，以及通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置，因此对直流宽带放大器研究具有十分重要的意义。 通过传感器获得的自然界电信号往往是从直流成分到几十Hz带宽内、高内阻、弱信号，需要对这些低频弱信号进行放大后再进行采集，而通信发射机末端等装置又

9、需要中高频弱信号进行功率放大，使其具有大的负载能力。因此设计出一种程控宽带直流放大器这样一种通频带从0Hz到数十兆Hz的通用放大器就具有很大的意义。 china_3.2 引言v3.2.2 本文研究的主要内容 本课题介绍一种增益可调、通频带可预置的程控宽带直流放大器，其中包括了宽带直流放大器的原理、硬件的制作、软件程序的编写。l 介绍了本课题的设计背景、实用价值及设计安排。l 介绍了研究背景和设计内容安排。l 讨论并比较了各个模块的设计方案，最后得出了总体设计方案，给出了整个系统的流程图。论证本系统各个模块方案的可行性并完成了每个模块芯片的选型。l 介绍了硬件系统的设计，这是本次设计的精华所在。

10、本章节给出了直流稳压电源模块设计，可控增益模块设计，固定电压放大模块设计，补偿滤波器模块设计，自动增益控制模块设计的原理图及芯片外围电路设计。l 分析了系统的功耗及性价比。l 讲述了本系统的测试结果以及笔者的测试结果。l 总结。china_3.3 系统方案论证与理论分析 模拟电子技术中许多器件的物理特性往往是电类学习中的难点，想要成为一名优秀的硬件工程师必须要对这些特性充分熟悉。在进行方案设计之前需要对这些知识有个大概了解。v3.3.1 宽带直流放大器总体方案分析 与一般宽带放大器相比，宽带直流放大器要求具有良好的低频放大特性，其幅频特征示意图如下图所示。所以在芯片选型时，其作用频率范围要从0

11、Hz开始。 china_3.3 系统方案论证与理论分析 为了使系统达到增益倍数，往往需要多级放大电路级联。本设计中共有三级放大，三级放大均需要有良好的低频特性。前级放大电路需要选取增益可变的放大器，以使整个宽带直流放大器达到增益可变的要求。该级放大器要具有低噪声宽带高速的特性。经过前级放大的信号，需要通过一个电压放大器，以使输出电压在50欧姆负载下有效值大于10V。末级放大电路实现的功能是对前两级放大的通频带调整。来弥补前两级放大电路带宽随增益增加而急剧降低的问题。通过单片机控制DA、液晶就可以实现电压增益可预置并显示的功能。系统总体框图如下图所示。 china_3.3 系统方案论证与理论分析

12、v3.3.2 理论分析 与数字电路设计采用一款固定的FPGA/CPLD、MCU不同的是模拟电路的设计平台往往不确定，即需要对芯片选型进行深入研究。 3.3.3 芯片选型 1. 可控增益放大器部分 方案一：用AD603进行两级放大。 方案二：用AD811和可控电阻权网络AD7520。 方案三：用增益可控直流放大器LMH6505。 综合上述方案，这里选择方案三。 2. 后级固定增益部分 方案一：使用分立元件自行搭建二级放大器。 方案二：使用集成电路芯片。 考虑到性能的稳定性和时间紧迫等因素，这里选择方案二。china_3.3 系统方案论证与理论分析 3. 放大器带宽控制部分 方案一：后级使用低通滤

13、波器 方案二：改变电压放大电路的增益 从实现容易程度和功耗方面考虑选择方案二。 4. 幅频曲线补偿部分 方案一：采用测频程控补偿 方案二：采用OPA603构成补偿滤波器。 考虑到本题对放大器幅频响应要求较高，专用芯片的幅频不易控制，所以选择方案二。 5. 主控制芯片选择 方案一：采用89S52单片机 方案二：采用C8051F020单片机china_3.4 电路设计 本节对各模块的设计进行了详细的分析，包括直流稳压电源模块的设计、可控增益模块的设计、固定电压放大模块的设计、补偿滤波器模块的设计等。 v3.4.1 直流稳压电源模块设计 电子设备中需要直流电源，便携式电子产品往往采用干电池、蓄电池等

14、供电。但这些电源成本高，容量有限。所以在有交流电源的地方，一般采用直流稳压电源将交流电变为直流电。直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，如下图所示。china_3.4 电路设计 四个部分作用如下：l 电源变压器：将电网供给的交流电变换成符合整流电路要求的交流电。l 整流电路：将变压器二侧的交流电压变换为单向脉动的直流电压。l 滤波电路：将脉动的直流电压变换为平滑的直流电压。l 稳压电路：将直流输出电压稳定，减少电源电压波动和负载变化对输出直流电压的影响。 本设计中使用的运放等器件需要的电源电压有+5V、+9V、-9V、+12V、-12V，+18V、-18V。78

15、、79系列芯片是输出电压固定的三端集成稳压器（78系列正输出和79系列负输出）。根据输出电流的不同，又可分为三种：LM78、LM79的最大输出电流为1.5A；LM78M、LM79M的最大输出电流为0.5A；LM78L、LM79L的最大输出电流为0.1A。 china_3.4 电路设计v3.4.2 可控增益模块设计 LMH6505是一款宽频带直流耦合压控增益运算放大器，在0-10MHz范围内通过调节增益控制电压可使其增益可调范围为80dB，低增益时的-3dB带宽为150MHz，压摆率，输入噪声电压为。可以满足对小信号低噪声放大，对大信号高倍衰减的要求。其管脚示意图如下图所示。 china_3.4

16、 电路设计3.4.3 固定电压放大模块设计 固定电压放大模块的设计运用到了模拟电子中的同相比例放大器的知识。理论上的增益倍数推导完全一致。在实际的设计中要注意以下两个问题： 所用运放在10MHz的-3dB通频带内是否能够达到所需增益，也就是考虑它的带宽增益积是否满足要求。 所用运放的最大输出电压是否可以满足放大器的电压输出要求。 3.4.4 补偿滤波器模块设计 采用高速电流反馈运算放大器OPA603搭建有源低通滤波器，该滤波器的截止频率大于10MHz，要求其在09MHz的范围内幅频曲线与放大器输出幅频曲线互补。使放大器在09MHz通频带内增益起伏1dB。china_3.4 电路设计v3.4.5

17、 自动增益控制模块设计 由C8051F020内部12位DAC将检测有效值得到的直流电平转换为数字信号输入MCU，然后通过12位ADC将输出的数字信号转换为直流电平控制LMH6505的增益。由于本片单片机内部集成了ADC和DAC，所以不需要搭建外设电路。为提高有效值检测精度，选择AD637作为有效值检测电路。v3.4.6 单片机程序实现 系统主控制芯片为C8051F020，开发环境为keilC51。通过单片机来实现增益预置、带宽调节、自动增益等功能。人机交互界面的实现是通过MCU对红外遥控、12864液晶屏的控制。C8051F020丰富的中断和可编程I/O口为设计提供了方便；内部集成的ADC和D

18、AC使系统电路更加简单、总体成本相对更低。软件框图如下图所示。 china_3.4 电路设计china_3.5 系统功耗及性价比分析 系统的功耗是电子系统重要的性能指标，本节对系统的功耗进行了详细的分析。3.5.1 系统功耗分析 低功耗系统设计原则可以概括为：对电源电压、时钟频率以及静态功耗进行有效控制，即电源宜低不宜高、时钟宜慢不宜快、系统（器件）宜静不宜动的“三相宜”原则。结合“三相宜”原则，在对硬件及软件设计时需要做如下工作： 对放大器芯片、MCU的选择，在同等条件下采用了更低功耗器件。对外围器件的选择，采用了贴片器件替代直插器件。对系统低功耗的运行管理，不用的I/O口和器件设置为禁止或睡眠模式。3.5.2 系统性价比分析 系统性能稳定，达到了设计之初的要求。设计中还考虑了系统成本，如在直流放大器芯片的选择上，AD8336和LMH6505都能满足题目指标要求，但AD8336较LMH6505昂贵，这里选择了LMH6505；对于MCU的选择，这里选用C8051F020，因其内部集成ADC和DAC，从而不仅使系统电路更简单，也使整个系统成本下降。china_3.5 系统功耗及性价比分析v3.5.3 小结 在模拟电路设计中，没有