宽带直流放大器设计思路

1 宽带直流放大器 全国一等奖 西安电子科技大学 朱灵 秦臻 景振华 摘要： 本作品基于压控对数放大器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ，由前级放大模块、增益控制模块、带 宽预置模块、后级功率放大模块、键盘及显示模块和电源模块组成，具有宽带手 动连续调节和数字程控功能。在前级放大电路中，用电流反馈型放大器 OPA691 和宽带运算放大器 VCA810 放大输入信号，输出放大一定倍数的电压，经过后级 THS3120 放大电路达到大于 10V 的有效值输出，其中的 OPA691 的使用弥补了一 般电压反馈型放大器的带宽随增益增加而急剧降低和压摆率不足的问题，VCA810 的使用方便了程控增益，THS3120 的使用提高了输出电压的有效值范围。 本设计采用压控增益器件，进行合理的级联和阻抗匹配，加入后级功率输出， 全面提高了增益带宽积和输出电压幅度。应用单片机和数字信号处理技术对增益 进行预置和控制，稳定性好，可控范围大。而且综合应用了电容去耦、滤波、使 用屏蔽线传输信号等抗干扰措施以减少放大器的噪声并抑制高频自激。经验证， 本 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 完成了全部基本功能和部分扩展功能。 关键词： 压控对数放大器 宽带数字程控 一、方案设计与论证 1.1 方案设计与比较 1.1.1 可控增益放大器部分 方案一：采用场效应管或三极管控制增益。主要利用场效应管的可变电阻区 （或三极管等效为压控电阻）实现增益控制，本方案由于采用大量分立元件，电 路复杂，稳定性差。 方案二：为了易于实现最大 60dB 增益的调节，可以采用高速乘法器型 D/A 实现，比如 AD7420。利用 D/A 转换器的 VRef 作信号的输入端，D/A 的输出端 做输出。用 D/A 转换器的数字量输入端控制传输衰减实现增益控制。此方案简 单易行，精确度高，但经实验知：转化非线性误差大，带宽只有几 kHz，而且当 信号频率较高时，系统容易发生自激，因此未选此方案。 方案三：根据题目对放大电路增益可控的要求，考虑直接选取可调增益的运 放实现（如运放 VCA810）。其特点是以 dB 为单位进行调节，可调增益±40dB， 可以用单片机方便地预置增益。 方案三电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化用单片机处理。 所以本系统采用方案三。 1.1.2 功率输出部分 方案一：用分立元件，此方案元器件成本低，易于购置。但是设计、调试难 度太大，周期很长，尤其是短时间内手工制作难以保证可靠性及指标，故不采用 2 此方案。 方案二：直接使用集成高电压输出的运放 THS3120，放大器通频带从 0 到 10MHz，并能驱动 50Ω的负载，单纯用音频或射频放大的方法来完成功率输出， 要做到 10V 有效值输出难度较大，而 THS3120 是一款高速宽带放大器，并可以 提供 475mA 的电流输出，完全满足题目要求，本方案简单易行，而且由于采用 单芯片，系统体积大大减小，所以采用方案二。 1.1.3 稳压电源部分 方案一：线性稳压电源。其中包括并联型和串联型两种结构。并联型电路复 杂，效率低，仅用于对调整速率和精度要求较高的场合；串联型电路比较简单， 效率稍高，虽然方便可靠，但还是满足不了高效率的要求。 方案二：开关稳压电源。此方案效率高，虽然理论电路复杂，但是如果使用 开关电源集成芯片，只需在外围加少量器件，即可达到题目中高效率的要求。 所以电源模块选择方案二中的开关稳压电源。 1.2 理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 与参数计算 1.2.1 带宽增益积 带宽增益积(GBP)是这是用来简单衡量放大器的性能的一个参数，这个参数 表示增益和带宽的乘积。按照放大器的定义，这个乘积是一定的。 题目中要求放大器最大电压增益 AV≥60dB，即 Gain≥1000V/V。 放大器的通频带 0～10MHz，所以本放大器的带宽增益积为 GBP = 1000 * 10M = 10G 单个放大器是很难达到 10G 的 GBP，所以我们考虑多级放大器级联。 经过查阅手册，OPA691 的 GBP 为 450M，级联上后级的 VCA810 和 THS3120， 足以达到题目要求。 1.2.2 通频带内增益起伏控制 题目中要求通频带内增益起伏≤1dB，本设计采用的是巴特沃斯滤波器，巴 特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，虽然 在阻频带内缓慢下降为零，但可以通过增加滤波器阶数来加快阻带内的衰减，符 合题目要求。 经过滤波器设计软件 Filter Solutions和仿真软件 Multisim 仿真，发现 4 阶的时候即可达到题目要求（仿真效果见附录图 1、图 2） 这两个滤波器可同时作为放大器预置带宽点，通过继电器切换。 1.2.3 放大器稳定性 （1）放大器板上所有运放电源线及数字信号线均加磁珠和电容滤波。磁珠 可滤除电流上的高频毛刺，电容滤除较低频率的干扰，它们配合在一起可较好地 滤除电路上的串扰。安装时尽量靠近 IC 电源和地。 （2）所有信号耦合用点解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频增益下 降。 （3）在两个焊接板之间传递模拟信号时用同轴电缆，信号输入输出使用 SMA-BNC 接头以使传输阻抗匹配，并可减少空间电磁波对本电路的干扰，同时避 免放大器自激。 （4）数字电路部分和模拟电路部分的电源严格分开，同时数字地和模拟地 电源地一点相连。 3 二、硬件电路设计 2.1 系统框图 本系统主要由由前级放大模块、增益控制模块、带宽预置模块、后级功率放 大模块、键盘及显示模块和电源模块组成。如图 1所示 图 1 系统框图 2.2 主要模块电路 （1）压控增益电路 可控增益调节部分我们使用压控增益放大器 VCA810，VCA810 在宽频带工作 模式下，增益控制范围为-40dB～+40dB ，且控制电压与增益 dB 数成线性关系， 满足设计要求。如图 2所示 图 2 压控增益电路 （2）步进及手动调节电路 步进调节基本电路是由单片机数字程控，经 D/A 转换产生控制输出电压。 利用 MSP430 单片机自带的 12 位 D/A 转换功能，输出稳定的控制电压。VCA810 的控制电压为 0V~-2V，而单片机 DA 输出范围在 0V~2.5V，不符合要求，因此在 电路中加入了减法器，（实际加到图 2 中 VCA810 的 3脚的控制电压是 DA 值减去 2.5V 基准的值）。手动连续调节则可以使用多圈精密电位器来实现。具体电路如 4 图 3所示 图 3 手动可调电路及步进电路 三、软件设计 软件主要实现数字调节步进及显示功能。 为了减少功耗，并降低数字系统对模拟信号的干扰，控制数据设置完成之 后，将微控制器设为低功耗模式。 键盘输入采用中断模式，而不是查询模式，这样键盘输入完成后，数据端 口处于静态，这样可以大大降低数字系统对模拟信号的干扰。 软件流程图如图 4 开始 系统初始化 主程序 MODE FLAG=1? 休眠、等待 中断 按键中断 读取键值 手动调节 增益输出 返回 DA调节 中断服务程序 图 4：软件流程图 （软件见附录） 5 四、系统测试和数据分析 4.1 测试仪器 （1）泰克 TDS1002 60M数字示波器 （2）RIGOL DS1022 20M 信号源 4.2 测试方法 （1）放大器预置带宽 5M。 （2）输入 0~5M信号，输入有效值为 10mV 的电压信号，测试通频带内是否 平坦。 （3） 改变输入电压有效值，分别记录在步进 5dB 的时候的输出电压有效值 范围。 4.3 相关测试数据 表 1 通频带内平坦度测试 频率 增益 1M 2M 3M 4M 5M 20dB 101mV 100mV 98.6mV 100Mv 53mV 40dB 986mV 979mV 964mV 979mV 550mV 表 2 步进及带宽测试 输入值 步进增益 10mV 20mV 50mV 100mV 0dB 10mV 19mV 48mV 101mV 5dB 16mV 33mV 149mV 301mV 10dB 30mV 59mV 270mV 554mV 20dB 98mV 196mV 498mV 1.01V 40dB 978mV 370mV 4.6V 9.1V 4.4 数据分析 通过表 1 可以看出放大器在预置带宽为 5M的时候，0~4M 通频带内很平坦， 最大起伏出现在 3M、增益 40dB 的时候，放大 dB 数为 ， ,完全符合题目要求中通频带内增益起伏≤1D 的指标。 由表2可知，系统可以实现电压预置并可以实现5dB的步进，而且可以输出9V 左右的有效值。 6 五、结论与系统改进措施 5.1作品达到了题目所有基本和部分扩展功能及指标的要求： （1）最大电压增益 Av≥60dB，输入电压有效值 Vi≤10 mV。 （2）在 Av＝40dB 时，输出端噪声电压的峰－峰值 V ONPP ≤0.03V。 （3）最大输出电压正弦波有效值 Vo≥5V，输出信号波形无明显失真。 （4）电压增益 Av可预置并显示，预置范围为 0～60dB，步距为 5dB 并且可 以手动连续调节）；放大器的带宽可预置并显示（5MHz、 10MHz 两点）。在通 频带内增益起伏≤1dB。 （5）通过制作开关电源来提高电源效率。 （6）本设计多使用集成芯片，以较低的成本实现了题目要求。 5.2存在问题及改进措施： （1）在每个模块都能正常工作的情况下，整机连调的时候会出现“共地” 问题，导致整机会有一个 50Hz的工频干扰。改进措施是系统地线不能出现环路， 所有地线最好一点接地，包括单片机的数字地和模拟地。 （2）在方案实施过程中，由于时间比较紧，来不及制版，而实验板的结构 受限，导致频率过高的时候会引入干扰。如果能在精确调整之后，将整体电路利 用 PCB开出电路板，减少连线引起的干扰，一定可以提高精度和性能。 参考文献 [1] 吴大正等. 电路基础. 西安：西安电子科技大学出版社，2007 [2] 孙肖子等. 电子设计指南. 北京：高等教育出版社，2006 [3] 孙肖子等. 模拟电子电路及技术基础. 西安：西安电子科技大学出版社，2008 [4] 黄争. 德州仪器高性能模拟器件在大学生创新设计中的应用与快速选型指南. 上海： 德州仪器（上海）有限公司大学计划部，2009 7 附图 1 4 阶 5M 巴特沃斯滤波器仿真 附图 2 4 阶 10M 巴特沃斯滤波器仿真（0~9M 带内平坦） 8 -5V +5V R2 470 R1470 81 5 7 6 2 3 U2 VCA810 +5V-5V GAIN CON C13 104 C12 104 C156 .8uf C146 .8uf C6 104 C76 .8uf C8 104 C96 .8uf R71K C5104 C17 10uf C18 104 R91K +5v +2 .5V 23 6 4 7 1 8 U3opa227 +5V-5V R10 20K R12 20K R11 20K R13 20K DAC _OUT C19 104 C20 104 R4 100k +5V -5V C11 1uf R5 10k R610 +5V P3 .7 Q19013R151k R350 C10 100pf R14 51 1 2 3 J13PIN -1 C1 220uf C3 220uf C2104 C4104 +5V -5V P1 SMB 2 31 7 8 5 64 P3 23F _2 GAIN CONT 23 6 4 7 1 8 U4opa227 +5V -5V C21 104 C22 104 P41K R850 C16 100pf 12 J22PIN -1 2 3 4 6 7 U1OPA691 2 3 4 6 7 U7opa690 2 3 4 6 7 U8opa690 2 3 4 6 7 U6 opa690 2 3 4 6 7 U5opa690 R25 51 R26 51R28 51 C51 330 C32 330pfC35 27pf C50 56pf C481nf C46 2 .2nf R23 51 R24 51R27 51 R1951 R1851 R21 51 R16 51 R17 51R22 51 C31 220pf C37 56pf +5V +5V +5V +5V -5V -5V -5V -5V C42 104 C43 104 C28 104 C53 104 C54 104 C41 104 C40 104 C44 6 .8uf C45 6 .8uf C55 6 .8uf C56 6 .8uf C276 .8uf C306 .8uf C38 6 .8uf C39 6 .8uf C29 104 -15V +15V R33 510 R35 200 C57 104 C606 .8uf C66 104 C696 .8uf R29 50 C63 100pf 2 3 4 6 7 8 U10 ths3001 -15V +15V R34 510 R36 120 C58 104 C616 .8uf C67 104 C706 .8uf R31 50 C64 100pf 2 3 4 6 7 U9 ths3001 -15V +15V R30 910 C59 104 C626 .8uf C68 104 C716 .8uf R32 50 C65 100pf 23 6 4 7 1 8 U11 ths3120 1 2 3 J33PIN -1 C23220uf C24220uf C25 104 C26 104 +15V -15V 前 前 前 前 压 压 前 前 10M 低 低 低 低 低 5M 低 低 低 低 低 功 功 功 功 功 功 手 手 手 手 功 功 手 手 手 功 功 1 IN4007 +5V P3 .6 Q19013R91k Q2 23F R20 51 C34 5pf C36 100pf C52 56 C33 470 C49 100pf C47 220pf 附图 3 整体电路图