宽带直流放大器开题报告 -

HEFEI UNIVERSITY
毕业设计（论文）
开题报告
题目宽带直流放大器的设计与研究系别电子信息与电气工程系
专业通信工程
班级 09 级通信工程（ 2 ）班
姓名
指导老师
完成时间 2013 —03 —29
合肥学院电子信息与电气工程系毕业设计(论文)开题报告
研究背景：
随着微电子技术的发展，人们迫切地要求能够远距离随时随地迅速而准确地传送多媒体信息。

于是，无线通信技术得到了迅猛的发展，技术也越来越成熟。

而宽带放大器是上述通信系统和其它电子系统必不可少的一部分。

由此可知，宽带放大器在通信系统中起到非常重要的作用，于是人们也对它的要求也越来越高。

宽带直流放大器在科研中具有重要作用，宽带运算放大器广泛应用于A∕D转换器、D∕A转换器、有源滤波器、波形发生器、视频放大器等电路。

例如在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。

因此宽带直流放大器应用十分广泛，有非常好的市场前景。

宽带直流能够放大直流信号或变化极其缓慢的交流信号，它广泛应用于自动控制仪表，医疗电子仪器，电子测量仪器等。

目前在无线通信、移动电话、卫星通信网、全球定位系统(GPS)、直播卫星接收(DBS)、ITS通信技术及毫米波自动防撞系统等领域有着广阔的应用前景，在光传输系统中，宽带直流放大器也同样占有重要地位。

主要内容：
本系统利用 C8051F120单片机作为主控制器，设计并实现了一宽带直流放大器，通过三级直接耦合放大和一级功率放大，放大倍数为0～40dB，通频带为0～10MHZ可预置。

通频带内增益起伏≤3 dB；由外置键盘实现增益可控预置，步距为5dB；由LCD12864同步显示增益预置值和增益步进值；利用单个元器件的零点漂移特性，巧妙采用放大级正向、反向输入端，有效的抑制了零漂。

整个系统实现简单，操作界面友好。

设计方案：
方案一：集成运放和分立元件相结合。

宽带集成运放级联构成前置放大电路，实现小信号的前置放大及增益要求；运算放大器加分立器件三极管构成功率扩展型电路实现末级功率放大。

方案二：采用分立元件，利用高频三极管或场效应管差分对构成多级放大电路，末级采用大功率器件来保证输出功率，通过负反馈电路来确定增益。

该方案可实现的放大器工作频率高、功率大，但其电路比较复杂，且零点漂移严重，难以实现直流信号的放大。

此外，由于电路采用了多级放大，其稳定性差，容易产生自激现象。

方案三：采用集成运算放大器芯片级联构成。

集成运放芯片使用简单，精度高，但是采用这种方案，放大器可能会出现输出功率不够，因此我们采用两个功率集成运放并联的方式实现增大输出功率。

方案选定：经三种方案比较，考虑到集成运放高增益、低直流漂移的优点和增益容易控制，决定采用方案三。

技术路线：
1、设计框图
以单片机为控制器，输入信号通过前置放大、中间级放大，再经过通频带选择网络完成对通频带带宽的选择，由末级放大器输出。

通过键盘控制选择通频带带宽、电压增益等参数，并由显示器同步显示增益预置值和增益步进值。

前置放大器信号输入Vin 控制器显示预置输入中间级放大器通频带选择网络信号输出
Vout
末级放大器自制稳压电源220V
50Hz
图1 宽带直流放大器系统框图
2、硬件电路设计
（1）前级放大电路
图2 前级放大原理图
前置放大电路使用电压跟随器实现，如图2所示。

考虑到本系统的通频带为0~10MHz ，为避免引入噪声，其输入阻抗必须限定50Ω~100Ω之间，若电压跟随器的阻抗为Rj ，图2电路的输入阻抗为
实际电路取Rk=100,则＞50。

此前置放大电路还具有缓冲、隔离的功能，其电压
增益接近于1，运算放大器选用OPA642，此放大器的增益带宽积为400MHz 。

（2）中间级放大器
图3 中间级放大原理图
k k k k R R R R R R R R ≈+*==j j j n i //
本级放大器由固定增益模块和增益控制模块组成，增益达42dB ，带宽为12.5 MHz ，实现增益从22dB 到42dB 可控，并能实现增益为5dB 步进可调。

OPA620集成运放的开环增益带宽积为200MHz ，为满足系统最大通频带为10MHz 的要求，由OPA620构成的单级闭环放大器的最大增益不能大于
由OPA620的幅频和相频特性（如图4所示）得，当单级闭环放大器的增益为20dB 时，线性相位为零的最大频率约为3MHz ＜10MHz ，由此得出当单级闭环增益16dB 时，通频带为12.5MHz ，满足通频带带宽的设计要求。

若同时获得60dB 电压增益，至少需要四级放大。

第一级放大器，取R1=100Ω，R2 =100Ω，
由公式 dB ，得R3=530Ω，Av1 =6.3倍；同理可得第二级放大器： R6 =630Ω，Av2 =6.3倍。

图4 OPA620的幅频和相频特性
增益控制模块： 在两级6.3倍（16dB ）单闭环放大器级联后，再级联一级可变增益放大器（AD603），以实现对电压增益预置和步进的控制，如图5所示。

AD603增益与控制电压的关系为AG （dB ）=40Ug+10，输入控制电压Ug 由AD603的1脚输入，控制电压范围为-0.5~+0.5。

单片机可以通过D/A （将数字量转换为对应的模拟电压量Ug ）来控制AD603的放大倍数，中放的最大增益=AGdB+16dB ×2。

设计时Ug 取值范围为-0.5~0，从而实现增益从22dB 到42dB 可控，并能实现增益为5dB 步进。

图5 增益控制模块原理图
B MH MH MH dB A d 20z
10z 200z 10)(===增益带宽积16) R R 20lg(1 20lgAv 2
31=+=
（3）末级放大电路 当系统负载电阻为(50±2)Ω时，最大输出电压Vo ≥10V ，则由公式 可计算出最大输出功率为2.08W 。

经前置放大和中放电路放大后，不具备驱动负载的能力，需经末级功率放大电路放大后才能达到系统对输出功率的要求。

参考音频放大器中驱动级电路，考虑到负载电阻为(50±2)Ω，输出有效值大于10V ，末级采用两级三极管直接耦合功率放大器，如图6所示。

末级放大电路的电压增益在第一级，第二级采用了一对孪生功放管D669A 和B649A （特征频率fT=140MHz ，Ic=1.5A ）进行功率放大。

整个电路设计有频率补偿，可对0到10MHz 的信号进行线性放大，放大倍数
在实际制作过程中通过调节可变电阻R10调整反馈深度获得20dB 增益，使整个放大器的总增益为62dB ，在10MHz 以下的通频带内增益非常稳定，可有效抑制通频带内增益起伏的变化。

图6 末级放大原理图
（4）各级增益控制
通过以上论述可得，系统总增益可调范围是42 dB~62 dB ，不能满足题目的要求。

利用两组衰减网络分别将系统增益衰减20 dB 和42 dB ，如图7所示，可实现系统增益分别在0~20 dB 、22 ~42 dB 和42~62 dB 间变化，再结合增益控制模块实现了系统增益手动连续可调、5 dB 步进和预置。

实验测试得，经42 dB 衰减网络后，系统频率特性仍较好。

而经20 dB 衰减网络后，输入信号频率在1MHZ 以上时，增益有所下降，为稳定增益，在衰减电阻上并联15pF 的电容进行频率补偿。

采用三组继电器对增益范围进行切换，由单片机的I/O 口P2.0、P2.1和P2.2控制继电器的动作。

图7 增益衰减网络
o 2R U P =18
//]//121r [)1(176be 2≈⨯+++=
R R R R A V ）（ββ
关键问题：
1、抑制直流零点漂移
在实际电路中，输出漂移会较为明显，单级产生的零点漂移会是负漂移。

中放设计中我们抑制漂移的方法是，输入信号从第一级运放的正向端输入，输出至第二级运放的反向输入端，且由放大倍数相同和选用元件参数尽可能一致，这种方法可使相邻两级的漂移相互抵消，可达到抑制漂移目的。

2、通频带内增益起伏控制及放大电路的稳定性
本设计电路电压增益在通频带内波动较明显，通过对各级放大电路进行频率补偿，所以在电源端增加去耦0.1uF和100uF电容，电容电阻的引线部分也要尽可能的短，并且采用屏蔽盒对系统电路板进行屏蔽。

时间安排：
1、第1~4周：广泛查阅资料明确设计方向准备开题
2、第5周：对所选的宽带直流放大器进行系统的认知和学习
3、第6周：掌握制作宽带直流放大器的电路原理
4、第7周：掌握制作宽带直流放大器的设计方法
5、第8周：变换器电路工作原理分析，设计主电路参数
6、第9周：掌握宽带直流放大器的硬件的制作方法
7、第10周：开始宽带直流放大器的硬件制作
8、第11周：学习仿真软件使用，进行电路仿真
9、第12周：测试并完善宽带直流放大器的硬件制作，完成电路调试，分析结果
10、第13周：开始编写宽带直流放大器的论文
11、第14周：完善宽带直流放大器的设计和论文
12、第15周：制作答辩所需的内容及ppt，准备答辩。