宽带直流放大器设计报告

宽带直流放大器第三组：陈吉洋、杨在然、周佳佳本设计以超低功耗单片机STM32为控制核心，通过可控增益放大器AD603与OPA642分别实现信号增益的调节和末级的功率放大，在0～10M带宽范围内的小信号进行有效放大，实现增益0dB～100dB 范围内的步进程控可调和手动连续可调，最大不失真输出电压有效值达10V。

系统主要由六个模块组成:直流稳压源、前置缓冲电路、可控增益放大电路、滤波器模块、功率放大模块和控制与显示模块。

本设计在前置缓冲电路对信号进行初步处理，减小后续模块中的噪声来源，同时在后级放大电路中利用软件对后级放大器电路进行补偿，把系统的失调和漂移抑制在较低的限度之内。

关键词：可控增益放大器功率放大带宽一、系统方案论证1.总体方案论证分析放大器设计要求的指标，带宽和增益要求高，放大器带宽为10MHz 以上，增益在0dB～60dB之间可调，并且要求能够在50Ω的负载提供有效值为10V 的正弦波输出。

针对上述特点，我们将整个放大器分为五个模块：前置缓冲级，增益可调的中间放大级，末级功率放大级，控制显示电路和直流稳压电源。

系统整体框图如图1所示。

其中难点是增益可调放大级和末级功率放大级，下面对这两个部分的方案分别进行设计论证。

图1、系统整体框图2.1放大器的论证与选择方案一：单运放电路。

简单的测量放大器是由仪器放大器和可变增益放大器级联而成，该放大电路的优点是电路简单，易于实现，但其零漂很大，放大精度也差。

方案二：精密斩波稳零电路。

精密斩波稳零运放具有更加理想化的性能指标，一般情况下不需要调零就能正常工作，大大提高了精度，但其带宽很小，难以满足设计要求。

方案三：模拟增益可编程运放电路。

使用微控制器控制模拟增益可编程运放可以灵活的实现增益的步进，同时可以实现比较大的增益，但其结构和指令比较复杂，开发周期较长。

方案四：多级运放电路。

应用多级运放可以得到很大的增益，并且对单个运放的性能要求较低，系统总增益等于各运放增益的和，可以将信号放大和功率放大分开处理；带宽也比较好控制，可以选择多种耦合方式，充分的发挥出电路的性能；电路结构也比较简单。

性价比也比较高。

方案选择：由于题目要求的增益带宽积很大，性能要求比较高，所以选择方案四采用多级运放电路。

2.2中间放大级方案论证方案一：采用带宽增益积大的运算放大器制作多级放大电路。

以OPA842 和OP37为例，利用OPA842 带宽增益积大的特点，使输入的小信号充分放大，再用OP37 或其他高压运放放大至有效值10V。

这种方法采用电位器或者数字电位器连续调节放大倍数，设计简洁，但是要实现数字控制的可控对数增益很不方便。

方案二：采用基于DAC的PGA方法。

可以实现D/A 芯片的电阻网络改变反馈电压控制电路增益，其功能类似于电位计。

放大器的增益准确度取决于DAC 的分辨率和电路增益。

优点是便于实现数控，结构简单，控制方便。

但是增益增大时，对应的数字位也越小，增益准确度会降低，一般将增益限制在256 倍以内。

方案三：采用集成宽带的可调增益放大器。

以AD603 为例，单片AD603 可以有40dB的可调增益范围，在-10～30dB 的模式下有90MHz 的带宽，可以很好的满足需求。

对于60dB的可调范围，可以串联两级AD603实现。

并且，AD603采用电压控制放大，对数增益与控制电压成正比，能够方便的通过单片机配合DAC控制。

比较上述三种方案：方案一调整增益不便，方案二的增益达不到题目要求，方案三能够很好的满足要求，最终选择方案三。

程序框图如图2所示。

图2、程序框图3.末级功率放大器方案论证方案一：采用分立元件搭建。

选用NSC公司的2N3904和2N3906三极管可以达到25MHz 的宽带，能够满足需求。

但是为了提高电路的稳定性，需要将反馈回路用电容串联到地，放大器的低频响应会变差，不能够作直流放大。

方案二：采用集成功率放大芯片。

这种方法简洁，调节方便。

但是集成功放一般用于音频放大，无法满足宽带要求。

方案三：采用运放配合三极管实现。

使用宽带运放OPA642和三极管2N3904和2N3906配合，加入适当的反馈，即可提供大的电压增益和电流增益，从而达到宽带功放的目的。

比较上述三种方式：使用分立元件有其优势，但是调试困难，低频响应与稳定性之间有矛盾，不适合作直流放大；集成功率放大器难以满足宽带放大要求；使用电压反馈型运放OPA642芯片配合三极管可以方便的实现了上述功能。

最终选择方案三。

二、理论分析与计算下面结合宽带放大器的各项指标，主要包括带宽增益，增益起伏，零点漂移，稳定性5个方面，进行简要的理论分析计算，同时确定电路设计所需要的元器件。

1.带宽增益积分析由于多级放大电路的通频带比组成它的每一级的通频带窄，所以在芯片选型和电路设计中要分析带宽增益积，合理地配置各级的增益和带宽。

主要指标分配为：（1）前置缓冲器：增益0dB，带宽>200MHz ；（2）中间放大级：增益-20～60dB，带宽>60MHz ；（3）末级放大级：增益>20dB，带宽>20MHz。

这样设计的宽带放大器增益范围大于0～80dB，频带宽度大于10MHz。

2.增益起伏控制分析在0～9MHz 的通频带内，要求增益起伏小于1dB。

由于各级的增益是对数相加的关系，我们对各级的增益起伏控制分别进行分析：(1）对于前置缓冲器，使用同相跟随器作缓冲可以使整个放大器输入阻抗提高，降低信号源的驱动要求。

选择作跟随器时增益稳定的运放，使用OPA642可达到0.03dB 以下。

(2）中间放大级增益最大，增益起伏主要来自这一级。

若使用两片AD603级联，根据数据手册，10.7MHz时增益起伏在0.6dB 以内。

AD603的控制电压的微小变化能够引起增益的较大起伏，需要精确控制。

使用STM32进行控制。

(3）末级放大级的增益大于20dB，与中间级放大类似，也要选择通频带内平稳的电路。

（4）另外，直流供电的稳定性也会对各级放大产生影响。

需要对直流电源输入作电容电感的Π型滤波，有效滤除低频纹波和高频分量。

3.零点漂移分析因为设计的放大器要求对直流有放大功能，因此要求严格控制零点漂移。

输入级采用OPA642，直流偏移为300μV，相对于输入信号有效值为10mV 时，引入的误差约为1%。

中间级的零点漂移也不可忽略，AD603的电压偏移最大为20mV，经过60dB 放大理论上可以产生最大20V 的输出失调电压，因此必须进行调零。

末级功率放大使用OPA642，正负5V供电时的最大零点漂移为mV，作大信号放大使用时可以忽略，但是若前级为衰减，这项的影响将十分显著。

因此对OPA643也要进行调零。

4.放大器稳定性分析由于采用三级放大器级联的方式，为了减少高频自激和消振困难，在相邻的放大器之间加入电压跟随器作隔离；同时，为了消除内阻引起的寄生震荡，还要在运放电源端就近接去耦电容。

5、线性相位分析假设某个频率的正弦信号通过一个系统的时间需要T，则这个信号的输出相位落后原来信号w ×T 的相位。

则该信号被延迟了。

在实际系统中，一个输入信号可以分解为多个正弦信号的叠加，为了使得输出信号不会产生相位失真，必须要求它所包含的这些正弦信号通过系统的时间延迟是一样的,则要求落后的相位要正比于频率w。

从系统的频率响应来看，就是要求它的相频特性是一条直线。

本系统中会引入时延的主要有两个部分：各级运算放大器和滤波器。

从运算放大器相频特性曲线上可以看出运放不是线性相位系统。

而完全理想的线性相位滤波器对于一定频率范围的时间延迟是一个常数，就可以实现线性相位。

从本设计系统中的使用九阶无源椭圆低通滤波器的相频特性上看，此滤波器不是线性相位的。

三、系统电路设计1.前置缓冲电路设计输入端加入OPA642构成的同相跟随器，提高放大器的输入电阻，有效抑制输入信号的零点漂移与噪声。

示意图如图3所示。

图3、前置缓冲电路2.中间级放大电路设计中间放大器使用两片AD603级联，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 ；为避免自激，在两级AD603之间加入一级OPA690作缓冲；示意图如图4 所示。

图4、中间级放大电路3. 末级功率放大电路设计由于AD642的输出电阻较小，因此先加入一级同相跟随器提高带负载能力，完成基础要求中使用三极管作电流放大，采用数据手册中的放大电路，电压增益为6dB，示意图如图5所示。

图5、功率放大器电路4.低通滤波器电路设计末级AD642之后加入的电压跟随器替换成九阶低通滤波电路，可以达到缓冲和滤波的双重功能，我们加入两路独立的滤波电路，截止频率分别为10MHz和5MHz，用单片机配合多路开关进行切换。

示意图如图6所示。

Ω图6、滤波电路5.直流稳压电源设计供电需求包括数字部分和模拟部分，数字部分是单片机，液晶显示屏及键盘模块，需要较大的驱动能力，而对电源纹波有要求，适合采用直流稳压电源模块。

模拟部分的设计如图7所示。

+5V-5V图7、直流稳压电源电路6、峰值检测电路设计峰值检测电路是对系统放大电压的检测，使得单片机对放大增益进行自动调节的模块。

使用两块LF356级联得到，设计如图8所示。

1kΩ图8、峰值检测电路调试报告当控制电压增加到0.4V以上时，信号会严重失真，通过示波器观察可发现，输出信号突然跳变到3V以上，虽然看起来像正弦波，但是频率却是24MHz左右，显然这是一个自激震荡的波形，随着输入电压的增大，AD603的可控放大倍数也有所降低，基本上放大倍数达到10dB时，就会产生自激波形严重失真以至于第二级AD603放大出来的信号失真。

单元电路调试过程中，单独调试AD603发现其控制信号在-0.5V到0V之间变化时增益是线性变化的，在焊接好的电路中单独调试时，Vg只要大于0V，就会产生自激，后来在面包板上搭接了一个AD603的单元电路时，问题仍然存在,Vg大于0V时增益就不会改变了，后来去请教老师得知，AD603对控制信号的要求很高，Vg中如果有纹波存在，会直接导致AD603自激，就连示波器探头的接地位置，线路的走线等都对AD603有相当大的影响，会导致其自激振荡，最后经过老师的指点后对控制电路做了各种各样的处理，加了许多退耦电容，问题仍未得到解决，百思不得其解！！！！！！！测量数据表一、放大环节测量数据（7MHz）V1：经LM358构成的电压跟随到芯片1号脚V01：电压跟随后的输出电压V02：经过一级AD603放大后的输出电压Av：最大不失真增益表二、在ARM的DA转换的输出端接0.1uF电容后放大环节的测量数据表三、在AD603的一号脚又对地并接了0.001uF和0.22uF的电容后放大环节的测量数据。