1、全國電子設計大賽獲獎論文題日名稱寬帶直流放大器C題廣東工業(yè)大學物理與光電工程學院參 賽隊員陸文賢 溫俊 鐘靈輝 摘要 本設計利用可編程增益寬帶放大 器THS7002來實現(xiàn)增益的主控制通過模擬開關配合運算放大器微調 減小增益調節(jié)的步進間隔和提高準確度。輸入部分采用THS7002內(nèi) 部的前置放大器作為輸入級提高輸入阻抗并且避免了獨立前置運放 PCB布線引入的噪聲提高了系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性。功率輸出部分采 用分立元件制作降低了成本。設計并制作了滿足放大器的直流穩(wěn)壓電 源整個系統(tǒng)的3dB通頻帶010MHz最大增益66dB。增益步進6dB。 不失真輸出電壓有效值4V。關鍵詞THS7002可編程增益放大器

2、 寬帶直流放大器1系統(tǒng)方案1.1比較與選擇方案一基于DAC的可 編程增益放大器原理框圖如圖1所示_RVinV)utDACVrefOUT圖1 基于DAC的寬帶增益放大器在運放的反饋回路中使用DAC并通過 數(shù)字控制調整增益。DAC的控制字根據(jù)其參考電壓Vref決定其輸出 電壓的衰減系數(shù)。理論上講只要D/A的速度夠快、精度夠高就可以 實現(xiàn)很寬范圍的精密增益調節(jié)。但是控制的數(shù)字量和最后的增益dB 不成線性關系而是成指數(shù)關系造成增益調節(jié)不均勻精度下降。同時帶 寬會隨著增益的減小而減小。方案二基于VCA的可編程增益放大 器使用控制電壓與增益成線性關系的壓控增益放大器VCA用控制電 壓和增益dB成線性關系的

3、可變增益放大器來實現(xiàn)增益控制如圖2所 示。這種方法能實現(xiàn)比較高的可調級數(shù)適合于負載經(jīng)常變化需要閉環(huán) 控制方面的應用。但是由于D/A和A/D的量化誤差和系統(tǒng)噪聲方面 的原因使得每一級的輸出精度都不能很高而且受環(huán)境溫度的影響較 大。圖2基于VCA的寬帶增益放大器方案三基于PGA的可編程 增益放大器使用軟件可編程增益放大器直輸出信號緩沖運放VCA D/A單片機 精密參考 電壓源 功率輸出級A/D 2接通過單片機控 制可編程增益放大器PGA由于PGA的放大倍數(shù)是在制造芯片的時候 通過激光微調的方法來調節(jié)好的。所以每級的輸出都能達到非常高的 精度而且受環(huán)境溫度影響很小。非常適合于負載確定的應用場合而且

4、電路結構簡單穩(wěn)定性很高具有很高的性價比。具體如圖3所示。圖 3基于PGA的寬帶放大器綜上所述由于負載是確定的而且要求降 低放大器的制作成本兼顧穩(wěn)定性和精確度方面的要求我們選用方案 三。采用可編程增益放大器THS7002作為增益控制。1.2方案描述 信號直接經(jīng)過THS7002內(nèi)置的前置運放輸入到THS7002內(nèi)然后經(jīng)過 THS7002內(nèi)部的兩級PGA進行放大再通過帶寬預置電路實現(xiàn)5MHz 和10MHz帶寬的預置最后通過功率輸出級實現(xiàn)功率的放大。放大器 的放大倍數(shù)、預置帶寬等信息可以通過LCD顯示器來顯示。圖4總 體設計框架圖 信號 輸出 輸出 信號 緩沖運放PGA功率輸出級 單片機THS7002

5、功率 輸出級 單片機 鍵盤LCD顯示器 輸入緩 沖PGA PGA帶寬預置電路3 2理論分析與計算2.1帶寬增益積 選用電壓反饋型運算放大器時必須根據(jù)系統(tǒng)的帶寬和增益要求來選 用合適的運放。系統(tǒng)要求的最大增益為60dB1000倍3dB帶寬為 10MHz。得到增益帶寬積GBW 1000 x 10MHz 10G如此高的增益帶 寬必須通過多級運放來實現(xiàn)。THS7002的前置運放是電壓反饋型的 放大器其3dB增益帶寬為100MHz由于作為輸入級為了兼顧穩(wěn)定性 選擇放大倍數(shù)G2帶寬為50MHz。2.2通頻帶內(nèi)增益起伏控制 通頻 帶內(nèi)的增益起伏主要是由于電路的寄生電容和其它雜散參數(shù)產(chǎn)生的。 為了使得系統(tǒng)有精

6、確的放大倍數(shù)因此抗干擾措施必須要做得很好才 能避免增益的起伏。我們采用下述方法控制通頻帶內(nèi)的增益1選用 0.1dB帶寬大于10MHz的運放。THS7002輸出5V峰峰值時0.1dB帶 寬仍然大于10MHz性能非常優(yōu)越2要非常小心電路的PCB電路的 布板。特別是輸入級前置運放的反相輸入端的寄生電容必須把其引腳 下的敷銅去除3所有信號耦合用電解電容兩端并接高頻瓷片電容以 避免高頻增益下降4使用同軸電纜輸入級和輸出級使用BNC接頭輸 入級和功率級之間用同軸電纜連接。5數(shù)模隔離。數(shù)字部分和模擬 部分之間除了電源隔離之外還將各控制信號用電感隔離 實踐證明電 路的通頻帶內(nèi)增益起伏控制措施比較好在1kHz1

7、8MHz的通頻帶范 圍內(nèi)增益起伏小于0.1dB。2.3線性相位系統(tǒng)對不同頻率成分的信 號響應產(chǎn)生的延時有可能不同一旦發(fā)生這樣的情況信號將發(fā)生失真 而能夠避免不同頻率分量延時差別的系統(tǒng)稱為線性相位系統(tǒng)。所謂線 性相位就是系統(tǒng)的相頻特性必須為線性。不同頻率信號通過系統(tǒng)所產(chǎn) 生的相位延遲超前為為了確保信號無相位失真就必須保證各頻率信 號相位延遲成比例也就是說各頻率信號通過系統(tǒng)的時間必須相同。本 系統(tǒng)在輸入不同頻率信號的情況下能夠確保各種頻率信號輸出的相 位延遲成比例。最終達到信號無相位失真要求。4 2.4抑制直流零點 漂移 零點漂移是指當放大電路輸入信號為零時由于受溫度變化電源 電壓不穩(wěn)等因素的影響

8、使靜態(tài)工作點發(fā)生變化并被逐級放大和傳輸 導致電路輸出端電壓偏離原固定值而上下漂動的現(xiàn)象。抑制零點漂移 的措施有精選元件、對元件進行老化處理選擇高穩(wěn)定性電源及穩(wěn)定靜 態(tài)工作點。在實際電路中常采用補償和調制兩種手段以達到減小溫度 對器件影響的目的。我們選用分立元件搭建了互補推挽功率輸出級由 于晶體管參數(shù)的不一致性將導致功率輸出級靜態(tài)輸出電壓為一個非 零的值即直流零點漂移。因此必須把零點的漂移控制在一個比較小的 值上面。這里我們?yōu)楣β瘦敵黾壧砑游⒄{電阻通過細心調節(jié)使百流零 點漂移達到一個很小的值。2.5放大器穩(wěn)定性 放大器穩(wěn)定性的標準 是在環(huán)路增益AP 1 0dB時的截止頻率fcl上相移180且所需

9、相 位余量離180相移的距離 45。由于本系統(tǒng)級連的運放級數(shù)較多相 位便宜較大適當在反饋回路增加補償電容以防止偏移過大而產(chǎn)生自 激振蕩。同時在運放輸出端串聯(lián)小電阻使得噪聲系數(shù)幅頻特性產(chǎn)生另 一個極點。3電路與程序設計3.1輸入緩沖和增益控制部分電路設 計 我們選用THS7002可編程增益放大器作為增益的主控電路芯片的 內(nèi)部示意圖如圖5所示。圖5 THS7002芯片的內(nèi)部示意圖 輸入緩沖 和增益控制電路如圖6所示。由于THS7002的PGA輸入電阻只有 270Q要減小輸入電阻對信號源的要求必須加入輸入緩沖部分用以提 高輸入阻抗另外前級電路對整個電路的噪聲影響非常大必須盡量減 少噪聲。故采用THS

10、7002內(nèi)部前置的高速低噪聲電壓反饋型運放作 為輸入緩沖運放這樣既5減少了使用外置緩沖運放PCB布線引入的 噪聲和干擾又節(jié)約了成本和空間增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。輸入端口 J6 由同軸電纜連接減少微弱高頻信號的衰減。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圖6輸入緩沖和增益控制部分電路3.2帶寬預置電路的設 計為了得到性能較好的帶寬預置電路我們選用4階巴特沃斯有源濾 波電路通過繼電器來實現(xiàn)5MHz和10MHz預置帶寬的切換電路如圖7所示。11109_11109_11109_11109_56R156R2180R3180R4160R5160R6390R7390R8220pFC1220pFC3220pFC4220pFC5187pFC632

12、pFC732pFC8187 pFC9K110MHz5MHz圖7 4階巴特沃思有源低通濾波器3.3功率輸 出級功率輸出級電路如圖8所示。我們使用分立元件搭建了功率輸出級電路。帶寬達了 20MHz同時降低了成本使系統(tǒng)的性價比比較高。6Q12SC5171Q22SC5171Q32SA1930Q42SA1930D1Diode1N4148D2Diode 1N4148910R1910R22KR32KR42KR547R647R710KRin1KR8100R10R 9R4_20.1uC10.1uC20.1uC30.1uC40.1uC50.1uC6KZC7KZC8100uFC91 00uFC10470uFC114

13、70uFC121KR4_1KZR8_133uFC1333uFC1415V-15 VINBNC12OUT12OUT_GND0.1uC5_20.1uC6_2R11R12 圖 8 功率輸 出級電路4測試方案與測試結果4.1測試設備及測試條件測試設備詳見附錄2測試環(huán)境溫度26C。4.2最大電壓增益測試 測試條件 V15V Vinp-p3mVRL50Q 表 1 放大器性能測試 Uo24dB Uo42dB Uo60 dB輸入信號頻率理論值實測值誤差理論值實測值誤差 理論值 實測值 誤差 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 經(jīng)過 對測試數(shù)據(jù)分析得出結論放大器部分電壓增益60dB增益6dB步進可 調通頻帶超過了 10MHz電壓增益誤差在2以內(nèi)放大器最大增益部分 不僅完成了題目的基本要求并且完成了發(fā)揮部分的要求。4.3最大 輸出電壓正弦波有效值測試測試條件 V15V f1MHzRL50Q 7Uo24dB Uo42dB Uo60 dB輸入信號峰峰值

15、 理論值 實測值 誤差 理 論值實測值誤差理論值實測值誤差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經(jīng)過對測試數(shù)據(jù)分析得出結論最大輸出電壓正弦波有 效值在7V左右在最大輸出電壓有效值內(nèi)輸出的誤差很小。4.4測試 結果分析經(jīng)過測試各項性能指

16、標均到達了基本要求而且完成大部分 發(fā)揮要求。但是輸出電壓無法達到10V的有效值主要是晶體管的增 益帶寬和功率的限制由于時間倉促難以購買到合適的功率放大對管 所以阻礙了系統(tǒng)性能的提升。5結論系統(tǒng)架構設計合理性價比較高最大增益達66dB最小輸入電壓峰峰值達2mV電壓的穩(wěn)定度高某些 指標到達或超過了題目的要求。參考文獻1 Walt Jung運算放大器應 用技術手冊M北京人民郵電出版社2009 2華成英童詩白模擬電子技 術基礎M北京高等教育出版社2007 3松井邦彥OP放大器應用技巧 100例M北京科學出版社2006 8附錄 附1元器件明細表THS7002 ATMEGA64 OPA2652 2SA19

17、30 2SC5171彩屏液晶 附2儀器設備清 單20M信號發(fā)生器F20數(shù)字萬用表VC890D 60M數(shù)字示波器 TDS1002B-SC SUING TFG3080L DDS數(shù)字信號發(fā)生器20M模擬示 波器 日立 V-252 9 附 3 電路圖圖紙 100pFC1Cap Pol1100pFC7Cap Pol1100pFC2CapPol1100pFC8CapPol1IN12OUT3GNDU1LM7815CTIN12OUT3GNDU4LM7815CTIN21OUT3GNDU2LM7915CTIN21OUT3GNDU6LM7915CTIN12OUT3GN DU5LM7805CTIN12OUT3GNDU3LM7805CT100pFC3Cap100pFC10 Cap100pFC4Cap10