电子设计竞赛报告

1、宽带直流放大器（C题）【本科组】摘要本设计利用可变增益宽带放大器AD603来提高增益和扩大AGC控制范围， 通过软件补偿减小增益调节的步进间隔和提高准确度。输入部分采用高速电压反 馈型运放OPA642跟随器提高输入阻抗，并且在不影响性能的条件下给输入部分 加了保护电路。使用了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激。功率输出部 分采用分立元件搭建的甲乙类互补对称电路。整个系统通频带可达20MHz，最小 增益0dB，最大增益70dB。增益步进ldB，60dB以下预置增益与实际增益误差小 于 0.2dB。关键词AGC； AD603； OPA642；功率放大；稳压电源一、方案论证与比较增益控制部分方案

2、一原理框图如图1所示，场效应管工作在可变电阻区，输出信号取自电阻与场 效应管与对V的分压。采用场效应管作AGC控制可以达到很高的频率和很低的 噪声，但温度、电源等的漂移将会引起分压比的变化，用这种方案很难实现增益 的精确控制和长时间稳定。Bi方案一采用可编程放大器的思想，将输入的交流信号作为高速D/A的基准电压，这 时的D/A作为一个程控衰减器。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。方案三使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA，用控制电压和增 益（

3、dB）成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制（如图2）。用电压控制 增益，便于单片机控制，同时可以减少噪声和干扰。综上所述，选用方案三，采用集成可变增益放大器AD603作增益控制。AD603 是一款低噪声、精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高，最大增益误差为 0.5dB，满足题目要求的精度，其增益（dB）与控制电压（V）成线性关系，因此 可以很方便地使用D/A输出电压控制放大器的增益。功率输出部分此部分采用分立元件对管TIP41与TIP42搭建的甲乙类互补对称电路。自动增益控制（AGC）利用单片机根据输出信号幅度调节增益。输出信号检波后经过简单2级RC 滤波后由单片机采样，截止频率为100

4、Hz。由于放大器通频带低端在1kHz，当工作频率为1kHz时，为保证在 增益变化时输出波形失真较 小，将AGC响应时间设定为 10ms，用单片机定时器0来 产生10ms中断进行输出有 效值采样，增益控制电压也 经过滤波后加在可变增益放 大器上。AGC控制范围理论上可达080dB，实际上由于输入端加了保护电路， 在不同输出电压时AGC范围不一样，输出在4.55.5V时AGC范围约为70dB， 而当输出为22.5V时AGC范围可达80dB。二、理论分析与参数计算电压控制增益的原理AD603的基本增益为：Gain (dB) = 40VG + 10其中，VG是差分输入电压, 单位是V，Gain是AD6

5、03的基本增益,单位是dB。从此式可以看出，以dB作单位的对数增益和电压之间是线性的关系。由此 可以得出，只要单片机进行简单的线性计算就可以控制对数增益，增益步进可以 很准确地实现。但若要用放大倍数来表示增益的话，则需将放大倍数经过复杂的 对数运算转化为以dB为单位后再去控制AD603的增益，这样在计算过程中就引 入了较大的运算误差。AGC介绍AGC是自动增益控制电路的简称，常用在收音机、电视机、录像机的信号接 收和电平处理电路中。它的作用是当信号较强时，使其增益自动降低；当信号较 弱时，又使其增益自动增高，从而保证输出信号基本稳定。三、系统各模块电路的设计输入缓冲和增益控制部分输入缓冲和增益

6、控制部分为输入缓冲和增益控制电路，由于AD603的输入电 阻只有100Q，要满足输入电阻大于2. 4kQ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。故采用高速低噪声电压反馈型运放OPA642作前级跟随，同时在输入端加上 二极管过压保护。输入部分先用电阻分压衰减，再由低噪声高速运放OPA642放 大，整体上还是一个跟随器，二极管可以保护输入到OPA642的电压峰峰值不超 过其极限(2V)。其输入阻抗大于2. 4kQ。OPA642的增益带宽积为400MHz，这 里放大3. 4倍，100MHz以上的信号被衰减。输入输出端口 P1、P2由

7、同轴电缆 连接，以防自激。级间耦合采用电解电容并联高频瓷片电容的方法，兼顾高频和低频信号。增益控制部分装在屏蔽盒中，盒内采用多点接地和就近接地的方法避 免自激，部分电容电阻采用贴片封装，使得输入级连线尽可能短。该部分采用 AD603典型接法中通频带最宽的一种，通频带为90MHz，增益为-10+30dB,输 入控制电压U的范围为-0. 5+0. 5V。图6为AD603接成90MHz带宽的典型方 法。增益和控制电压的关系为：AG(dB)=40XU+10，一级的控制范围只有40dB， 使用两级串联，增益为AG(dB)=40 XU1+40XU2+20，增益范围是-20+60dB， 满足题目要求。由于两

8、级放大电路幅频响应曲线相同，所以当两级AD603串联后，带宽会 有所下降，串联前各级带宽为90MHz左右，两级放大电路串联后总的3dB带宽对 应着单级放大电路1.5dB带宽，根据幅频响应曲线可得出级联后的总带宽为60M。Ve-&-15V1N414SV J JD11N414St7GNDR4 W-r?GNDAW2.4k|.GMDWgnih 100nFWe0-15V ZSC1呻15V, VCC4 C131mFn+ C12 _55u11J-II-100nF士钏arC151QnFC3Tl-Ve-&-15V1N414SV J JD11N414St7GNDR4 W-r?GNDAW2.4k|.GMDWgnih

9、 100nFWe0-15V ZSC1呻15V, VCC4 C131mFn+ C12 _55u11J-II-100nF士钏arC151QnFC3Tl-C42.2uFI ICDnF =U2二心XTO! 7 x CUTngi 1nF ADGQ3AR 0.2 VT ，HI1QQnFc JJGC180C14HF100nC17 HC1IO 1flnF =220nF2.2uFR5VKS； VTOT cm cat r ms .ui z zmcAD6Q3AC9107Rfl!10功率放大部分电路如图4所示。考虑到负载电阻为50Q，输出有效值要大于2V，所以电 压仍需放大，整个功放电路的电压增益在这一级，第二级进行

10、电压合成和电流放大，选用音频开关三极管TIP41和TIP42,他们的开关速率达到3MHz,最大电流 为6A，最大输出功率可达65W，符合题目要求。图4控制部分这一部分由51系列单片机、D/A和基准源组成。使用8位串行D/A芯片 DA0832。稳压电源部分电源输出土5V、18V电压供给整个系统。电路图部分如下所示。四、系统调试和测试结果1.测试方法将各部分电路连接起来，先调整0dB,使输出信号幅度和输入信号幅度相等， 然后接上50Q的负载电阻进行整机测试。1.测试结果电压增益AV40dB，输入电压有效值ViM20mV。AV可在040dB范围内手 动连续调节。最大输出电压正弦波有效值Vo2V，输出信号波形无明显失真。3dB 通频带05MHz；在04MHz通频带内增益起伏60dB， 输入电压有效值*10V，输出信号波形 无明显失真。参考文献美塞尔吉欧佛朗哥著，基于运放放大器和模拟集成电路的电路设计，第三版，西安 交通大学出版社，2009华中科技大学电子技术课程组编，康光华