全国电子设计大赛 获奖论文
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全国电子设计大赛获奖论文题目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 outDACVrefOUT 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 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1kHz18MHz 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直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Aβ 1 0dB 时的截止频率fcl上相移±180°且所需相位余量离±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270Ω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THS7002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-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_56R156R2180R3180R4160R5160R6390R7 390R8220pFC1220pFC3220pFC4220pFC5187pFC632pFC732pFC8187 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。
6 Q12SC5171Q22SC5171Q32SA1930Q42SA1930D1Diode 1N4148D2Diode1N4148910R1910R22KR32KR42KR547R647R710KRin1KR8100R10R 9R4_20.1uC10.1uC20.1uC30.1uC40.1uC50.1uC6KZC7KZC8100uFC91 00uFC10470uFC11470uFC121KR4_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26℃。
4.2最大电压增益测试测试条件V±15V Vinp-p3mVRL50Ω 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 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V±15V f1MHzRL50Ω 7 Uo24dB Uo42dB Uo60 dB 输入信号峰峰值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。
