全国电子设计大赛 获奖论文

1、全国电子设计大赛获奖论文题日名称宽带直流放大器C题广东工业大学物理与光电工程学院参 赛队员陆文贤 温俊 钟灵辉 摘要 本设计利用可编程增益宽带放大 器THS7002来实现增益的主控制通过模拟开关配合运算放大器微调 减小增益调节的步进间隔和提高准确度。输入部分采用THS7002内 部的前置放大器作为输入级提高输入阻抗并且避免了独立前置运放 PCB布线引入的噪声提高了系统的精确度和稳定性。功率输出部分采 用分立元件制作降低了成本。设计并制作了满足放大器的直流稳压电 源整个系统的3dB通频带010MHz最大增益66dB。增益步进6dB。 不失真输出电压有效值4V。关键词THS7002可编程增益放大器

2、 宽带直流放大器1系统方案1.1比较与选择方案一基于DAC的可 编程增益放大器原理框图如图1所示_RVinV)utDACVrefOUT图1 基于DAC的宽带增益放大器在运放的反馈回路中使用DAC并通过 数字控制调整增益。DAC的控制字根据其参考电压Vref决定其输出 电压的衰减系数。理论上讲只要D/A的速度够快、精度够高就可以 实现很宽范围的精密增益调节。但是控制的数字量和最后的增益dB 不成线性关系而是成指数关系造成增益调节不均匀精度下降。同时带 宽会随着增益的减小而减小。方案二基于VCA的可编程增益放大 器使用控制电压与增益成线性关系的压控增益放大器VCA用控制电 压和增益dB成线性关系的

3、可变增益放大器来实现增益控制如图2所 示。这种方法能实现比较高的可调级数适合于负载经常变化需要闭环 控制方面的应用。但是由于D/A和A/D的量化误差和系统噪声方面 的原因使得每一级的输出精度都不能很高而且受环境温度的影响较 大。图2基于VCA的宽带增益放大器方案三基于PGA的可编程 增益放大器使用软件可编程增益放大器直输出信号缓冲运放VCA D/A单片机 精密参考 电压源 功率输出级A/D 2接通过单片机控 制可编程增益放大器PGA由于PGA的放大倍数是在制造芯片的时候 通过激光微调的方法来调节好的。所以每级的输出都能达到非常高的 精度而且受环境温度影响很小。非常适合于负载确定的应用场合而且

4、电路结构简单稳定性很高具有很高的性价比。具体如图3所示。图 3基于PGA的宽带放大器综上所述由于负载是确定的而且要求降 低放大器的制作成本兼顾稳定性和精确度方面的要求我们选用方案 三。采用可编程增益放大器THS7002作为增益控制。1.2方案描述 信号直接经过THS7002内置的前置运放输入到THS7002内然后经过 THS7002内部的两级PGA进行放大再通过带宽预置电路实现5MHz 和10MHz带宽的预置最后通过功率输出级实现功率的放大。放大器 的放大倍数、预置带宽等信息可以通过LCD显示器来显示。图4总 体设计框架图 信号 输出 输出 信号 缓冲运放PGA功率输出级 单片机THS7002

5、功率 输出级 单片机 键盘LCD显示器 输入缓 冲PGA PGA带宽预置电路3 2理论分析与计算2.1带宽增益积 选用电压反馈型运算放大器时必须根据系统的带宽和增益要求来选 用合适的运放。系统要求的最大增益为60dB1000倍3dB带宽为 10MHz。得到增益带宽积GBW 1000 x 10MHz 10G如此高的增益带 宽必须通过多级运放来实现。THS7002的前置运放是电压反馈型的 放大器其3dB增益带宽为100MHz由于作为输入级为了兼顾稳定性 选择放大倍数G2带宽为50MHz。2.2通频带内增益起伏控制 通频 带内的增益起伏主要是由于电路的寄生电容和其它杂散参数产生的。 为了使得系统有精

6、确的放大倍数因此抗干扰措施必须要做得很好才 能避免增益的起伏。我们采用下述方法控制通频带内的增益1选用 0.1dB带宽大于10MHz的运放。THS7002输出5V峰峰值时0.1dB带 宽仍然大于10MHz性能非常优越2要非常小心电路的PCB电路的 布板。特别是输入级前置运放的反相输入端的寄生电容必须把其引脚 下的敷铜去除3所有信号耦合用电解电容两端并接高频瓷片电容以 避免高频增益下降4使用同轴电缆输入级和输出级使用BNC接头输 入级和功率级之间用同轴电缆连接。5数模隔离。数字部分和模拟 部分之间除了电源隔离之外还将各控制信号用电感隔离 实践证明电 路的通频带内增益起伏控制措施比较好在1kHz1

7、8MHz的通频带范 围内增益起伏小于0.1dB。2.3线性相位系统对不同频率成分的信 号响应产生的延时有可能不同一旦发生这样的情况信号将发生失真 而能够避免不同频率分量延时差别的系统称为线性相位系统。所谓线 性相位就是系统的相频特性必须为线性。不同频率信号通过系统所产 生的相位延迟超前为为了确保信号无相位失真就必须保证各频率信 号相位延迟成比例也就是说各频率信号通过系统的时间必须相同。本 系统在输入不同频率信号的情况下能够确保各种频率信号输出的相 位延迟成比例。最终达到信号无相位失真要求。4 2.4抑制直流零点 漂移 零点漂移是指当放大电路输入信号为零时由于受温度变化电源 电压不稳等因素的影响

8、使静态工作点发生变化并被逐级放大和传输 导致电路输出端电压偏离原固定值而上下漂动的现象。抑制零点漂移 的措施有精选元件、对元件进行老化处理选择高稳定性电源及稳定静 态工作点。在实际电路中常采用补偿和调制两种手段以达到减小温度 对器件影响的目的。我们选用分立元件搭建了互补推挽功率输出级由 于晶体管参数的不一致性将导致功率输出级静态输出电压为一个非 零的值即直流零点漂移。因此必须把零点的漂移控制在一个比较小的 值上面。这里我们为功率输出级添加微调电阻通过细心调节使百流零 点漂移达到一个很小的值。2.5放大器稳定性 放大器稳定性的标准 是在环路增益AP 1 0dB时的截止频率fcl上相移180且所需

9、相 位余量离180相移的距离 45。由于本系统级连的运放级数较多相 位便宜较大适当在反馈回路增加补偿电容以防止偏移过大而产生自 激振荡。同时在运放输出端串联小电阻使得噪声系数幅频特性产生另 一个极点。3电路与程序设计3.1输入缓冲和增益控制部分电路设 计 我们选用THS7002可编程增益放大器作为增益的主控电路芯片的 内部示意图如图5所示。图5 THS7002芯片的内部示意图 输入缓冲 和增益控制电路如图6所示。由于THS7002的PGA输入电阻只有 270Q要减小输入电阻对信号源的要求必须加入输入缓冲部分用以提 高输入阻抗另外前级电路对整个电路的噪声影响非常大必须尽量减 少噪声。故采用THS

10、7002内部前置的高速低噪声电压反馈型运放作 为输入缓冲运放这样既5减少了使用外置缓冲运放PCB布线引入的 噪声和干扰又节约了成本和空间增加了系统的稳定性。输入端口 J6 由同轴电缆连接减少微弱高频信号的衰减。VIN-3GND1VREF2VCC21VCC -22VL23VO24VH20G226G127G028SHD25U1A45678_U1CJ6BNC-15 V15V-15V15v15V510R7510R8KZR90.1uC110.1uC120.1uC190.1uC183 .3KR243.3KR263.3KR283.3KR3051R1851R4151R31A0A1A2EN_A-15 VVIN-

11、12GND14VREF13VO19G217G116G015SHD18U1B11109_U1D 510R10510R113.3KR3451R15100R453.3KR363.3KR383.3KR40B0B1B2EN_B图6输入缓冲和增益控制部分电路3.2带宽预置电路的设 计为了得到性能较好的带宽预置电路我们选用4阶巴特沃斯有源滤 波电路通过继电器来实现5MHz和10MHz预置带宽的切换电路如图7所示。11109_11109_11109_11109_56R156R2180R3180R4160R5160R6390R7390R8220pFC1220pFC3220pFC4220pFC5187pFC632

12、pFC732pFC8187 pFC9K110MHz5MHz图7 4阶巴特沃思有源低通滤波器3.3功率输 出级功率输出级电路如图8所示。我们使用分立元件搭建了功率输出级电路。带宽达了 20MHz同时降低了成本使系统的性价比比较高。6Q12SC5171Q22SC5171Q32SA1930Q42SA1930D1Diode1N4148D2Diode 1N4148910R1910R22KR32KR42KR547R647R710KRin1KR8100R10R 9R4_20.1uC10.1uC20.1uC30.1uC40.1uC50.1uC6KZC7KZC8100uFC91 00uFC10470uFC114

13、70uFC121KR4_1KZR8_133uFC1333uFC1415V-15 VINBNC12OUT12OUT_GND0.1uC5_20.1uC6_2R11R12 图 8 功率输 出级电路4测试方案与测试结果4.1测试设备及测试条件测试设备详见附录2测试环境温度26C。4.2最大电压增益测试 测试条件 V15V Vinp-p3mVRL50Q 表 1 放大器性能测试 Uo24dB Uo42dB Uo60 dB输入信号频率理论值实测值误差理论值实测值误差 理论值 实测值 误差 10KHz 48mV 47mV 1mV 378mV 376mV 2mV 3V 2.99 10mV 100KHz 48mV

14、 47mV 1mV 378mV 371mV 7mV 3V 2.96 40mV 1MHz 48mV 46mV 2mV 378mV 369mV 9mV 3V 2.92 80mV 10MHz 48mV 44mV 4mV 378mV 366mV 12mV 3V 2.89 110mV 经过 对测试数据分析得出结论放大器部分电压增益60dB增益6dB步进可 调通频带超过了 10MHz电压增益误差在2以内放大器最大增益部分 不仅完成了题目的基本要求并且完成了发挥部分的要求。4.3最大 输出电压正弦波有效值测试测试条件 V15V f1MHzRL50Q 7Uo24dB Uo42dB Uo60 dB输入信号峰峰值

15、 理论值 实测值 误差 理 论值实测值误差理论值实测值误差5mV 79mV 72mV 7mV 629mV 615mV 14mV 5V 4.9V 0.1V 10mV 158mV 152mV 6mV 1.26V 1.23V 30mV 10V 6.8V 3.2V 15mV 238mV 232mV 6mV 1.89V 1.87V 20mV 15V 6.9V 8.1V 20mV 316mV 313mV 3mV 2.52V 2.51V 10mV 20V 7.0V 13V经过对测试数据分析得出结论最大输出电压正弦波有 效值在7V左右在最大输出电压有效值内输出的误差很小。4.4测试 结果分析经过测试各项性能指

16、标均到达了基本要求而且完成大部分 发挥要求。但是输出电压无法达到10V的有效值主要是晶体管的增 益带宽和功率的限制由于时间仓促难以购买到合适的功率放大对管 所以阻碍了系统性能的提升。5结论系统架构设计合理性价比较高最大增益达66dB最小输入电压峰峰值达2mV电压的稳定度高某些 指标到达或超过了题目的要求。参考文献1 Walt Jung运算放大器应 用技术手册M北京人民邮电出版社2009 2华成英童诗白模拟电子技 术基础M北京高等教育出版社2007 3松井邦彦OP放大器应用技巧 100例M北京科学出版社2006 8附录 附1元器件明细表THS7002 ATMEGA64 OPA2652 2SA19

17、30 2SC5171彩屏液晶 附2仪器设备清 单20M信号发生器F20数字万用表VC890D 60M数字示波器 TDS1002B-SC SUING TFG3080L DDS数字信号发生器20M模拟示 波器 日立 V-252 9 附 3 电路图图纸 100pFC1Cap Pol1100pFC7Cap Pol1100pFC2CapPol1100pFC8CapPol1IN12OUT3GNDU1LM7815CTIN12OUT3GNDU4LM7815CTIN21OUT3GNDU2LM7915CTIN21OUT3GNDU6LM7915CTIN12OUT3GN DU5LM7805CTIN12OUT3GNDU3LM7805CT100pFC3Cap100pFC10 Cap100pFC4Cap10