可控增益放大器

摘要

随着时代的发展，科技的进步，微电子技术、计算机网络技术和通信技术等等也在不断地更新换代，可控增益放大器被广泛的应用到各个领域当中。可控增益放大器的核心为可控增益放大电路，人们对其研究也在不断加深，其技术也越来越成熟。

放大器是通信系统和其他电子系统中必不可少的一部分，可控增益放大电路模块在很大程度上决定了系统的整体指标。可控增益放大器是放大器的一个分支，它在通信系统中也有着非常重要的作用，于是人们对它的要求也会越来越高。在通信和电子设备中，常常采用放大器实现信号的放大，要求其线性好，具有足够的增益来抑制后级电路的噪声对系统的影响，并且增益最好可调，当输入信号大范围变化时，能自动控制增益，输出稳定的信号，另外输出功率也能达到最大。

可控增益放大器，也就是在放大器的基础上加上控制增益部分。在实际电路中，例如带负反馈的运放电路，其反馈电阻如果设为可调电阻，那么这个放大电路的增益就可以控制了，当然在其中还有许多其他的变化。

采用MSP430单片机实现数据采集及控制放大器的放大倍数，通过键盘输入实现输出状态控制、带宽选择以及增益步进控制，晶显示器显示所设置的状态及参数。

关键词：放大器，增益，单片机

ABSTRACT

With the development of The Times，the progress of science and technology，microelectronics technology，computer network technology and communication technology，and so on are also constantly upgrading，controllable gain amplifier is widely applied to various fields.The core of the controllable gain amplifier for controllable gain amplifier circuit，are also deepening the research，its technology is becoming more and more mature.

Amplifier is an indispensable part of communication system and other electronic systems，the controllable gain amplifier circuit module to a great extent，determines the overall index of the system.Controllable gain amplifier is a branch of the amplifier，it also has a very important role in the communication system，so people will more and more high to the requirement of it.In communications and electronics equipment，often signal is realized by using the amplifier amplification，ask its good linear，with sufficient gain to suppress the noise level circuit after the impact on the system，and gain the best adjustable，when a wide range of input signal changes，can automatic gain control，stable output signal，and output power can achieve maximum.

Controllable gain amplifier，that is，on the basis of the amplifier with gain control part.In the actual circuit，operational amplifier circuit with negative feedback，for example，if the feedback resistance as the adjustable resistance，then the gain of the amplifier circuit can control，in which there are many other changes，of course.

Data acquisition and control is realized by using MSP430 single chip microcomputer，the larger the amplifier amplification by keyboard input output state control，choice of bandwidth and gain step control，crystal display shows and parameters set by the state.

Keywords:amplifier；Circuit gain；SCM

目录

摘要.................................................................................................................................I ABSTRACT........................................................................................II 1前言 (1)

1.1课题的背景以及选题的意义 (1)

1.2放大器的种类 (1)

1.3宽带放大器的简介 (2)

1.4设计要求 (3)

2设计方案 (4)

2.1电路设计的几种方案 (4)

2.2系统总体设计 (5)

2.2.1前置放大电路 (6)

2.2.2末级功率放大电路 (7)

2.2.3增益控制模块 (9)

3电路硬件设计 (11)

3.1电路总体结构 (11)

3.2 AD811介绍 (11)

3.3 AD603介绍 (12)

4系统软件设计 (15)

4.1 Protues简介 (15)

4.2 CCS介绍 (17)

4.3 MSP430f249简介 (20)

4.4主程序设计 (22)

结论 (23)

参考文献 (24)

致谢 (25)

附录 (26)

1前言

1.1课题的背景以及选题的意义

近年来，科学技术快速发展，多媒体信息的高速传输也呈现出蓬勃发展的势头。计算机和互联网迅速普及在军事、科研机构、大型企业、跨国公司、电信行业、网络公司以及产品科技含量高的IT产业等等方面。由于放大器是功放电路的重要组成部分，它已成为国内外研究的热点，它的性能也在进一步的提高。

到目前为止，国内外研究方向尚处于集成放大器的多级放大器补偿、宽带高速运算放大器等方面。随着技术的成熟，国内外研究将会致力于其他方面。而宽带放大器也越来越广泛的应用在光纤通讯、电子战设备及微波仪表等方面。在电子电路系统中，通常需要放大器具有稳定、宽频带、低噪声、可调增益等特点。因此在这方面的研究也在不断的进行，使放大器越来越符合要求。

本设计主要以AD603为核心，研究宽带可控增益放大器的设计。

1.2放大器的种类

放大器(Amplifier)是将输入信号的电压或者功率放大的装置，即增加信号的幅度或是信号的功率。放大器的组成部件有电子管、晶体管、电源变压器等等。在实际生活的每一个角落中，通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置都运用到放大器，用以来处理其输入信号。

现实生活中有很多种类型的放大器，按照不同的性质可划分为不同的类别。

按照所处理信号物理量划分为机械放大器、机电放大器、电子放大器、气动放大器和液动放大器等，其中使用最广泛的是电子放大器，随着科学技术的发展，液动放大器和气动放大器的应用也会逐渐增多。

按照所用有源器件被划分为晶体管放大器、真空管放大器、固体放大器和磁放大器，其中电子放大器中又以晶体管放大器使用最广泛。晶体管放大器常常用于信号的电压放大和电流放大，例如在自动化仪表中，就有单端放大和推挽放大其它形式。

除此之外，还有其他的分类。下面是放大器的一些分类：

（1）有线电视干线放大器

（2）光纤放大器

光纤放大器（Optical Fiber Ampler），是能够将光学装置的光信号的功率放大的一种光器件，同时还具有高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗及其它功能，它通常都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构三部分组成。根据其在光纤线路中的位置和作用，可以划分为前置放大、中继放大和功率放大三种。

（3）通用型集成运算放大器

通用型集成运算放大器设计的目的就是为了使其能在各种电路中都能使用。它的价格低廉，具有相对适中的技术参数，因此通用型集成运算放大器可满足大多数情况下的使用要求，适用于各类电路中。通用型集成运算放大器按增益运算程度分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，其中Ⅰ型是低增益运算放大器，Ⅱ型是中增益运算放大器，Ⅲ型是高增益运算放大器。Ⅰ型和Ⅱ型基本上是属于初代的产物，所述输入失调电压通常约为2mV的，开环增益通常都大于80dB。

（4）高精度集成运算放大器

高精度集成运算放大器的特征在于温度漂移小、失调电压也很小，但是共模抑制比和增益是十分高的。这类运算放大器的噪声也比较小。最小的失调电压可小到几微伏。最低的温度漂移会低至几十微伏每摄氏度。

（5）高速型集成运算放大器

高速型集成运算放大器具有宽广的频率响应和高转换速率（最大可达2~3kV/μS）。这种运算放大器一般应用于视频放大器、快速A/D转换器和D/A转换器中。

（6）高输入阻抗运算放大器

高输入阻抗集成运算放大器的特性是输入阻抗十分大，输入偏置电流是十分小的。其输入偏置电流约为20fA（20×10-15A），如此低的输入偏置电流对输入信号源的影响也是极低的，它的输入级往往采用MOS管。

（7）低功耗集成运算放大器

低功耗集成运算放大器是通过在IC外部连接上电阻或恒流源就能适当的调整电源电流，同时也就得到各种不同的参数，因此工作时，它的电流非常小，电源电压也很低，整个装置只有几十微瓦的功耗。

（8）宽频带集成运算放大器

宽频带集成运算放大器的特征在于它具有宽频带，增益也比较大。它具有高达千兆赫以上的单位增益带宽。因此经常被用来在宽频带放大电路中。

（9）高压型集成运算放大器

高压型集成运算放大器是一种高电压幅度输出的信号放大器。一般情况下，集成运算放大器的电源电压在15V以下，而高压型集成运算放大器与其完全不同，它的供电电压可达到数十伏，最高输出电压的范围为±600V或是1200V。

（10）功率型集成运算放大器

功率型集成运算放大器是能产生最大功率输出以驱动某一负载的放大器，它的价格相对很高。

1.3宽带放大器的简介

宽带放大器是指上限工作频率与下限工作频率之比大于1的放大电路，它的英文名称为wide-bandamplifier。有时候，人们也会把相对频带宽度(B/Fs)大于20%～30%的放大器也归属于宽带放大器的行列。

宽带放大电路主要用于放大视频、脉冲和射频的信号，它也是构成有线电视、无线通信、音响和其它系统的基础的一部分。例如信号的频率范围从几赫或几十赫的低频直到几兆赫或几十兆赫的高频的有线电视图像信号放大的视频放大器，中心频率为几十兆赫或几百兆赫，通带宽度可达中心频率的百分之几十的雷达或通信接收机中的中频放大器，带宽从几十赫到几十千赫的音响设备中的高保真度音频放大器等等。

典型宽带放大器电路包含补偿式、参差调谐式、行波式、共基放大式、共射共基式以及电压电流并一串联负反馈式等不同种类。不同的电路具有不同的优点和缺点，使用时应根据使用要求采用适合的电路。下面是宽带放大电路的分类：（1）共射共基式宽带放大电路

（2）共基放大式宽带放大电路

（3）参差调谐式宽带放大电路

（4）行波式宽带放大电路

（5）补偿式宽带放大电路

1.4设计要求

研究可控增益放大器的实现方案、电路版图的设计方法；研究430单片机实现采集数据、采集及控制的方法，实现放大器的要求为：

(1)放大器的电压增益av≥40db。输入电压有效值vi≤20mv。其输入阻抗、输出阻抗均为50，负载电阻50，且输出电压有效值vo≥2v，波形无明显失真。

(2)在75mhz～108mhz 频率范围内增益波动不大于2db。

(3)-3db 的通频带不窄于60mhz～130mhz。

(4)实现av 增益步进控制。增益控制范围为12db～40db，增益控制步长为4db。增益绝对误差不大于2db。

2设计方案

2.1电路设计的几种方案

AGC系统中的核心电路就是可控增益放大器。在可控增益放大器中，电路的增益随着控制信号的变化而发生改变，从而改变输出信号，达到稳定输出电平的目的。可控增益电路部分通常是与整个接收系统共享的，并不是AGC系统的一个独立部分。如果单级增益的变化范畴不能满足电路需求时，还能够采纳多级增益控制的方法。

在现实使用时，有两种控制放大器增益的方法：一种方法是通过改变放大器本身的某些参数，例如发射极电流、负载、电流分配比、恒流源电流以及负反馈大小等，从而实现控制其增益的目的；另一种方法是通过插入可控衰减器，通过调整电路中信号的大小，来改变整个放大器的增益。

对于可控增益放大器的设置有下列几种方案：

（1）采用场效应管或者三极管来控制电路中的增益。这种方案主要是利用场效应管的可变电阻区或者是将三极管等效为压控电阻，输出信号取自电阻与场效应管与对v的分压。采用此方案能够达到很高的频率，还有很低的噪声，但是电源、温度的漂移将会引起分压比的变化。如果使用这种方案的话，相对来说电路会比较简单，但是调试起来比较困难，很难对电路的增益达到精确控制的目的，并使其长时间稳定。方案如下图2.1所示。

图2.1 利用场效应管设计的增益框图

（2）使用可编程放大器，用高速乘法器型D/A实现电路增益控制的想法。使用此方法的话，信号的输入端是该D/A转换器的VRef端，信号的输出是D/A

的输出端。该D/A转换器中，数字量输入端能够控制传输衰减，从而实现增益控制。这种方案简单易行，操作方便。但实验表明：当电路的输入信号是高频信号时，这个系统很容易出现自激现象。也就是所得的增益与控制的数字量成指数关系，而不是成线性关系。从而造成电路中增益调节不均匀，精确度下降。因此也不选择此方案。

（3）用能够压控增益的放大器实现。即使用PGA，它是一款电路增益与控制电压成线性关系的可编程增益放大器，整个方案是电路增益与控制电压成线性关系的可变增益放大器来实现电路中增益的控制。这种方案的优点是，使用时可以用单片机预置增益。方案如下图2所示。由于要由430单片机实现数据采集及控制放大器的放大倍数的目的，所以采用这种方法，由单片机控制改变放大器本身的某些参数。

图2.2 电压控制增益框图

2.2系统总体设计

系统总体框图如下所示。主系统主要由以下4个部分组成：前置放大电路、末级功率放大电路、增益控制模块和430单片机显示控制模块，每个部分都实现不同的功能，从而实现最终目的。

输入信号先通过前置放大电路，作用是实现前级的放大，并提高输入的阻抗，同时抑制输入的噪声。然后通过功率放大电路，将电路中的输出电压有效值提高。单片机显示控制模块涉及到增益控制部分。单片机经过A/D转换，先对信息进行采集、处理，然后送到LED液晶显示器。按键控制实现电路的增益控制。

图2.3 系统总体框图

2.2.1前置放大电路

放大电路就是增加电路中信号幅度或者信号功率的电路。放大器就是在一个装置中加入放大电路实现放大功能。不同的电子有源器件构成了放大器的核心，如电子管、晶体管、电源变压器等等就可以添加在放大器中。放大器的输入信号经过整个电路，放大到一定程度被输出，信号不会无缘的放大，在整个电路中，主要是通过各种元器件的组合把电源的能量转移给了输出信号，因此放大器需要能量实现放大作用。放大电路常用的能源是直流电源。高频电源也可以作为能源。放大作用就是放大器将比较弱小的信号通过的放大功能传输给输出级，使输出级的信号幅度或功率放大到符合实际的应用，它的实质就是把电源的能量转移给输出信号。

在整体电路的开始端加入一个放大电路用以对输入信号的放大，通常称之为前置放大电路，在电路的前端实现放大作用的装置叫做前置放大器。前置放大电路的目的是为了放大有用信号，放大的时候也会将噪声放大。噪声会对实际应用产生困扰。在电路中引入负反馈可以在一定程度上降低电路中的噪声。

在整体电路的开端采用了前置放大电路。电路图如图2.4所示。

在电路图中，使用了AD811作为前级跟随。因为AD603的输入阻抗只有100Ω，为了符合题目的要求，所以必须加入缓冲部分来提高阻抗，而且电路图中的前级放大电路的噪声影响非常大，因此要在输入部分添加保护电路，但是不能影响电路的性能，所以我们选用了AD811作为前级跟随。在电路中我们可以看到，在AD811的正电源输入端和负电压输入端分别接入了±15V的电源，用以作为能源对输入信号进行放大。

2.2.2末级功率放大电路

在现实应用电路中，经常都会要求放大电路的末级能够输出足够大的功率，用作驱动电路中的负载，功率放大电路（power amplificatory circuit）就是一种可以向负载提供足够信号功率的放大电路，简称功放。

功放的主要技术指标为转换效率和输出功率。从这方面来研究，功率放大电路与其他类型的放大电路都是使输出级的输出功率放大，没有本质上的区别。而另一方面，功率放大电路不是只单纯地追求在输出级尽可能输出大的功率，它是在其他性能比较稳定的情况下追求大功率。因为电路的放大都是把电源的能量转移到了输出级，如果只追求电路的输出级输出高电压或者大电流，那么只需在各种元器件的承受范围内加入最大的电源电压。在功率放大电路中，输出级的最大输出功率是在大部分参数已经确定了的情况下可能获得的最大交流功率。在一定的输出功率已经基本确定了的情况下，尽可能减小直流电源的功耗，可以使功率放大电路的转换效率增大。功率放大电路的种类也有很多，按照要求不同有不同的划分结果，下面是一些不同种类的功放电路：

（1）变压器耦合功放电路

（2）无输出变压器功放电路

（3）无输出电容功放电路

（4）桥式推挽功放电路

图2.5 末级功率放大电路

上图是末级功率放大电路，其中所用元器件相对来说还是比较多的，里面主要由4个PN结和不同量程的电容、电阻等组成。在末级功率放大电路的前端接入的是增益控制模块，因为AD603的最大输出电压只有2v左右，不能满足题目需求，因此还需要在后面接入功率放大电路，通过经过后级放大达到更高的输出有效值。电路主要选用两级三极管进行直流耦合和发射结直流反馈来构建末级功率放大电路。第一级主要是进行电压的放大，整个功放电路的电压增益都集中在第一级；第二级是进行电流的放大和电压的合成，先将第一级的输出的双端信号转变为单端信号，同时提高电路的带负载能力。整个电路对于信号进行了线性放大，放大倍数

AG≈1+R10/R9 （2.1）在上图所示的电路中，通过滑动变阻器R12、R13调节电路中的参数。

2.2.3增益控制模块

自动增益控制(automatic gain control)就是在电路运行的过程中，放大电路的增益随着信号强度的变化而不断变化的方法。下图为增益控制电路图。

图2.6 增益控制电路

在此电路图中，选用了两个AD603。为尽可能符合题目要求，在电路图中使用AD603的三种典型工作方式中的第二种工作方式。电路图中，在AD603部分，VOUT与FDBK之间外接一个电阻REXT，FDBK与COMN端之间接一个电容频率补偿。画图时采用直接耦合的工作方式。其优点是能够改善放大器的低频响应特性，同时可以减少两级放大器级联以后的频带损失。经过D/A转换后产生的电压信号，可以调节电路中的增益变化。电路的运行，都需要电源传输能量，在两个AD603正电源输入端接+5V的电源，负电压输入端接-5V的电源，用以对整个电路提供能源。

3电路硬件介绍

3.1电路总体框图

下图为整个设计的总体框图。由图所示，在前置放大电路部分，选用了AD811来控制放大功能，在增益控制模块，我们采用了AD603来控制电压的大小，从而控制增益的范围。下面介绍一下AD811和AD603的信息。

图3.1 总体电路图

3.2 AD811介绍

AD811运算放大器是美国模拟器件公司（简称A-D公司）推出的一款宽带电流反馈型运算放大器。针对广播级质量视频系统进行了优化，具有高速、高频、宽频带、低噪声等优点。它可作用于分配放大器、直流恢复电路、视频开关、视频线路驱动器等方面的视频信号处理。下图为AD811的仿真引脚图。

AD811的使用方法与一般运算放大器基本相同。AD811有同相输入和反相输入两种接入方法。AD811的主要技术性能指标为：高速性（转换速率可达2500V/μs）、出色的直流精度（输入失调电压最大值可达3 mV）、内部具有短路保护功能等。

3.3 AD603介绍

AD603用于增益控制模块。AD603是一款美国模拟器件公司（简称A-D公司）推出的低噪声、电压控制型放大器。通常被用于中频(IF)和射频(RF)自动增益控制(AGC)系统中。AD603提供精确的引脚可选增益。90 MHz带宽时增益范围为-11 dB至+31 dB；9 MHz带宽时增益范围为+9 dB至+51 dB。如果要计算电路图中任意中间位置的增益范围，可以在其所需位置加一个外部电阻。折合到输入的噪声谱密度仅为1.3 nV/√Hz。采用推荐的±5 V电源，功耗为125mW。

用AD603控制电路增益有三种方式：

（1）将VOUT与FDBK短路，即为宽频带模式（90MHz宽频带）。此时AD603的增益设置范围为-11.07dB~+31.07dB；

（2）画电路图时，在VOUT与FDBK之间外接一个电阻REXT，在FDBK 与COMN端之间接一个5.6uF的电容频率补偿，根据增益关系式计算出REXT 大小。选取合适的REXT，获得所需增益值。当REXT=2.15K?时，其增益范围为-1~+41dB；

（3）在VOUT与FDBK之间开路。FDBK对COMN连接一个18uF的电容。这是为了扩展频率响应，其增益范围为+8.92~+51.07dB，带宽为9MHz。

下面是AD603内部结构图：

图3.1 AD603内部结构图

由上图所知，AD603是三部分组成：增益控制部分、精密无源输入衰减器和固定增益放大器。如图所示，加在梯型网络输入端（VINP）的信号经过衰减后，由固定增益放大器部分输出。增益控制部分的电压可以控制衰减量。增益大小调整与只与其差值VG有关，自身电压值无关。GPOS/GNEG端的输入电阻值高达50MΩ。由I=V/R所得，当输入电流很小时，片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响也在逐步减小。AD603很适合构成程控增益放大器。AD603实现电路增益步进可调功能。“滑动臂”从左到右可以连续移动。放大器的增益范围随VOUT和FDBK两管脚的连接的改变发生变化。下图是AD603连续控制下的输入增益控制计算。

图3.2 连续控制下的输入增益控制计算仿真中的AD603引脚图如下图所示：

图3.3 仿真引脚图

4系统软件设计

本次设计中用到的软件有Protues仿真软件和CCS编译软件，这两个软件功能很强大，是实现本次功能中必不可少的。利用Protues绘制出电路图。将搭建好的元器件连接好，通过程序进行仿真实验。程序编写不对的地方可以利用CCS 软件随时修改程序控制电流的输出。进行仿真可以查看出哪里有逻辑错误和功能错误，通过修改可以使方案设计更加完善。

4.1 Protues简介

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它和Altium Designer一样都可以进行电路元器件的仿真，Proteus还可以单片机及外围器件，Altium Designer就不具备此功能，但它可以生成PCB电路板，二者也可以联合起来共同使用。Proteus一款将虚拟模型仿真软件、PCB设计软件和电路仿真软件三款软件的功能结合在一起的新的综合性软件。画好Proteus仿真图后，可以很直观地评估硬件电路的设计正确性。因此画图时可以及时的修改电路图，以保证整体电路最好可以正确运行。Proteus处理器模型支持8051、HC11、PIC、A VR、ARM、8086和MSP430等，2010年增加了Cortex和DSP系列处理器，它的功能也在不断的增加。在编译方面，它也支持CCS、IAR、Keil和MATLAB 等多种编译软件。

图4.1是Protues开机主界面图：

图4.1 Protues开机主界面图

下图是Protues仿真主界面图：

图4.2 Protues仿真主界面图

Protues中元器件资源丰富，包括仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库，而且自己也可以对元器件进行量程的设置。Protues中还有仪表、图形等资源，能够满足我们对各种电路的设计。下图是protues元器件库。

图4.3 protues元器件库

Protues具有不同的版本，现已更新到8.0版本。不同版本的protues中元器

件库也有不同，版本相对较低的会缺少一部分器件，但是我们可以将缺失的器件下载下来，然后加载到自己的protues软件中。还可以将自己修改的器件存到元器件库中，右键单击元器件，然后选择Make device出现如下界面，然后一直选择next即可。

图4.4 加载元器件

4.2 CCS介绍

CCS是Code Composer Studio软件的简称，中文译名是代码调式器或者代码设计套件。Code Composer Studio编译语言是C/C++、汇编语言等。Code Composer Studio 包罗一整套用于调试和开发嵌入式应用的工具，而且它的开发界面上存在许多大家熟悉的工具和界面。CCS软件能适用于每个TI 器件系列的多种功能。但是不同版本的CCS支持的处理器存在着差异。

CCS IDE部分为使用者提供了一个单一用户界面，可以完成开发过程中的每一个方面。CCS具有精密的高效工具。使用CCS编译程序时，可以在CCS开发界面上找到熟悉的工具和界面，可以让用户快速上手。CCS版本更新比较快，6.0版本已经投入使用中。前4版的Code Composer Studio都是基于Eclipse 开放源码软件框架。基于Eclipse 开放源码软件框架的CCS版本为构建软件开发环境提供了优秀的软件框架，通过使用发现这种软件框架非常好用，因此众多嵌入式软件供应商都使用这种开放源码软件框架，使其成为采用的标准框架。CCS将德州仪器(TI) 先进的嵌入式调试功能的优点和Eclipse 软件框架相结合，形成了新的工作方式。这样一个有吸引力的、功能丰富的开发环境为嵌入式开发使用者提供了极大的便利。下图为CCS的开机主界面图。我安装的是6.0.1版本的

CCS。打开软件，首先要选择工作区，也就是自己要单独建立一个文件夹，用以存放CCS新建的各个工程。

图4.5 CCS开机主界面图

下图是CCS编译主界面图。它的内部资源非常丰富，可以为开发人员提供各种选择。

图4.6 CCS编译主界面图

编译CCS的程序时与keil大致相似，都是要先建工程。在左栏右键单击，然后选择new，选择CCS Project，如下图所示，填写名称，然后选择合适的单