宽带直流放大器设计报告

宽带直流放大器（杨秋云）
组员：李华卫毛丽君杨秋云肖茜雯谭平平
摘要：本作品以STM32F103VET6为控制核心，采用宽带放大芯片LMH6624和压控放大器VCA810结合方式，实现了设计中可调增益的要求；采用低噪声电流反馈运放THS3091芯片实现了10V有效值输出的功率放大；在系统设计中，采用了合理的阻抗匹配，规范的线路布局和有效的散热设置，并且综合考虑了去耦、滤波，以及使用同轴电缆屏蔽干扰，降低功耗，减少了高频信号的噪声和自激，全面提高了系统的稳定性。

经测试，指标达到设计的要求。

关键词：STM32F103VET6 LMH6224 VCA810 THS3091
一、方案论证与选择
1、前级放大模块
方案一：采用三极管和各分立元件构成前级放大器。

实现不小于22dB的增益，本方案成本低，但电路复杂，调试繁琐，且电路稳定性差，容易产生自激现象。

方案二：采用集成芯片。

采用放大器LMH6624做前级放大的核心器件，具有低噪声、低功耗、高性能的优点。

所以我们采用此方案。

2、可控增益放大模块
方案一：采用场效应管控制增益实现。

采用单片机控制场效应管工作在可变电阻区，利用其电压与电阻的线性关系实现增益的控制，但由于大量分立元件的引入，使得电路复杂且稳定性差。

方案二：采用程控放大器VCA810实现。

因为VCA810的可调范围-40dB~+40dB，那么可直接采用VCA810作为放大的中间调节级对已进行小倍数放大的信号进行再次放大或衰减。

更有一点就是VCA810具有宽带低噪声，并且以dB为单位的线性增益的特点。

该方案方便、稳定，可操作性强，所以采用此方案。

3、低通滤波模块
方案一：采用集成芯片实现有源滤波电路。

集成芯片成本较高，而且截止频率难达到设计的要求。

方案二：采用椭圆低通滤波器。

椭圆低通滤波器是一种零、极点型滤波器，它在有限频率范围内存在传输零点和极点。

同样的性能要求，椭圆低通滤波器的通带和阻带都具有等波纹特性，因此通带，阻带逼近特性较好，比其它滤波器所需用的阶数都低，而且它的过渡带比较窄，可以更好的达到设计的要求，所以采用此方案。

4、功率放大模块
方案一：采用三极管搭建。

三极管成本低，使用灵活，但各种参数的选择过于复杂，会给电路的设计带来较大的难度，并且管子承受的电压要高，通过的电流要大，功率管损坏的可能性也比较大，不满足设计对放大器稳定性的要求。

使用晶体管也不易控制其零点漂移。

方案二：采用电流反馈型集成芯片。

电流反馈芯片THS3091具有210MHz 以上的带宽，压摆率达到7300 V/us，最大输出电流250mA，并且可以输出 15V 的高电压，若采用二片并联的形式可完全胜任10MHZ下10V有效的稳定输出和50Ω负载的驱动。

该方案简单稳定、方便调试，因此采用方案二。

5、直流稳压电源模块
方案一：采用线性稳压电源。

串联型电路比较简单，效率较高，尤其是若采用集成三端稳压器，输出电压纹波很小，可靠性高，可为后级小信号放大电路输出波形不失真提供保障。

方案二：采用开关稳压电源。

此方案效率高，但电路复杂, 开关电源的工作频率通常为几十～几百KHz，基波与很多谐波均在本放大器通频带内，极容易对小信号高频放大电路带来干扰，使波形失真。

为保证后级放大电路输出不产生较大失真，故直流稳压电源模块选择方案一。

6、系统总框架
本系统主要由前级放大、可控增益放大、低通滤波、功率放大、按键及显示和直流稳压电源模块组成。

在程控放大部分，采用DAC将精确的控制电压送入到VCA810的电压控制端，以实现5dB的准确步进增益。

在带宽控制部分用单片机控制继电器进行5MHZ和10MHZ的带宽切换，这样可减少手动切换的机械干扰。

在THS3091功率放大部分，为减小芯片上的电流，采用两片并联的方式，这样安全性更高。

框架如图1所示。

图1 系统框图
二、主要功能电路设计
1、前级放大模块
我们采用LMH6624进行22倍的放大，这样可以有效的减小后级放大的负担。

并且LMH6624具有高带宽、低噪声特点，可满足要求。

前级放大原理图如图2所示。

图2 前级放大电路图
2、可控增益放大模块
在可控增益放大部分，我们采用VCA810进行-40dB~+40dB范围内调节。

VCA810的最大输出电压峰-峰值为3.6Vpp，假如要实现发挥部分的输出电压有效值不小于10V的要求，即输出电压峰-峰Vpp-min=2×10×√2=28.28V，为得到最大输出电压，则后级放大至少要有7.86倍。

后级功率放大电路增益设计为9dB，则VCA810和功放级级联可实现-22~28dB的增益调节范围。

由于输入电压有效值不大于10mV,为了提高VCA810的输入电压和进一步提高系统最高增益，VCA810前级增加增益为22dB的前级放大电路，则系统增益调节范围为0-50dB。

可控增益放大原理图如图3所示。

图3 压控放大电路图
3、低通滤波模块
低通滤波器采用四阶低通椭圆滤波器实现，低通滤波原理图如图4所示。

图4 低通滤波电路图
4、功率放大模块
功率放大需要带50Ω负载，而输出电压有效值不小于10V，那么可得到功率P=U2/R=2W，为减小THS3091的负荷，且单片最大提供250mA的输出电流，我们采用两片THS3091并联的形式，每一片为负载提供1/3的电流，并且设定每一个片的5倍的放大倍数。

为平衡输出电流，以及提高容性负载驱动能力，在每一片THS3091后面串一个5Ω功率电阻。

功率放大原理图如图5所示。

图5 功率放大电路图
5、直流稳压电源模块
采用自制±5V电源为前级LMH6624增益放大器及VCO810可变增益供电；为满足10V有效电压的输出，采用自制±18V电源为后级功率放大电路，主要是THS3091并联功率放大电路供电；采用±5V电源为滤波电路及继电器等供电。

±5V、±18V电源均由线性稳压块7805、7905、7818、7918搭建。

直流稳压电源原理图如图6所示。

图6 直流稳压电源电路图
6、放大器稳定性
（1）主要通过采取抗干扰措施提高放大器的稳定性，系统全部采用印制板，减小寄生电容和寄生电感，采用铜板大面积接地，减小地的回路。

（2）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接头以使传输阻抗匹配，并可减少空间电磁的干扰，同时避免自激。

（3）在运放的连接中，反馈电阻要尽量靠近输入引脚，防止反馈回路中的分布电容引入反馈回路中的极点，引起自激。

三、程序设计
软件部分使用的CPU是STM32F103VET6,程序通过按不同的按键实现界面的切换和数值的改变并显示在12232液晶屏幕上。

该芯片内置ADC和DAC转换器，由于810可控增益模块需要提供变化的电压实现相应增益的改变，我们可以通过DAC实现电压的变化。

液晶上显示的预置增益是整个宽带直流放大器的总增益，通过电路调试算出前级放大电路和功
放模块的增益，预置增益减去前级放大电路和功放模块的增益，即能得出810模块的增益。

通过公式，可以将增益转换为单片机输入810模块的电压，从而达到改变预置增益，实现电压的改变，进而求出实际增益是否与预置增益一致。

单片机程序流程图如图7所示。

图7 程序流程图
四、性能测试
1、测试仪器
测试仪器如表1所示：
表1 测试仪器
2、测试方案及结果完整性
（1）通频带测试
测试方案：放大器带宽设置在5MHz通频带工作模式下，输入信号有效值Vi=10mV，相应峰-峰值为Vipp=28.3mV，增益为40dB。

测试数据如表2。

表2 0~5MHz通频带测试
（2）增益的测试
测试方案：用函数发生器产生各种频率不同，输入电压不同的正弦波输入，使用STM32F103VET6单片机的DA部分产生压控电压来控制810的电压，用双踪示波器观察信号的实际输入电压和输出电压的峰-峰值及波形的质量进行测试。

测试数据如表3。

表3 调增益测试数据
由表3测试数据可分析得到，电压增益可以达到40dB以上，输入电压有效值11.2mV小于20mV。

增益可在0~40dB范围手动连续调节。

在0~4MHz通频带增益起伏不大于1dB，放大器的输入电阻为157.6Ω远远大于50Ω，完成了基础部分的要求。

（3）输入输出电阻的测试
测试方案：在空载的条件下，用万用表测得Ri为50.51Ω，Ro为50.10Ω。

七、总结
本系统由前级放大模块，可控增益模块，功率放大模块，滤波模块，直流稳压电源，单片机控制和显示模块组成。

前级放大模块采用了放大器LMH6624实现了22dB的增益放大；可控增益采用V AC810实现了-31~17dB的可变增益放大；功率放大模块采用THS3091实现了9dB的增益放大。

从而实现了Av在0~40dB 范围手动连续调节。

本宽带直流放大器达到了设计的基本要求和部分扩展功能要求，在整个过程中偏重于模拟设计，电路结构简练，以减少的模拟电路实现了系统的完整性和稳定性。

自制的稳压电源效率较高，使用了一些高性价比、低功耗的器件去设计电路，整个放大电路的设计成本较低，功耗小，性价比高。