宽带直流放大器(国赛报告)

宽带直流放大器摘要：本系统采用FPGA和AT89S52单片机构成的最小系统为控制核心，设计了一个输入电压有效值小于10mV的宽带直流放大器。

其3dB通频带为0～10MHz，在0～9MHz通频带内增益起伏不超过1dB。

系统的基本放大器部分主要由前置放大、可控增益放大和后级功率放大构成，其中前级放大采用高速低噪声电压反馈型运放芯片LM6172实现；可控增益放大以AD600为核心，通过12位串行DAC给予不同的控制电压的方式来达到增益步进5dB （手动连续可调）,总增益从0dB到60dB的目的；后级功率放大由3个电流反馈型放大器AD811构成，其输出电压正弦波有效值V o不小于10V，输出信号波形无明显失真。

通过键盘输入控制、人为预置放大器的带宽值和 64*128点LCD显示，本系统界面友好美观，控制方便。

关键词：程控放大，AD600，功率放大正文：一、方案比较设计与论证1.程控放大方案比较与论证方案一：采用三极管搭接实现。

为了满足增益60dB的要求，可以采用多级放大电路实现。

对电路输出采用二极管包络检波产生反馈电压调节前级电路实现自动增益的调节。

本方案由于大量采用分立元件，如三极管等，电路复杂，设计难度大，增益可控、高带宽均难以实现。

而且不可控因素多，电路稳定性差，调试难度也大。

故不采用。

方案二：采用可编程放大器的思想，将输入的交流信号作为D/A的基准电压。

理论上讲，只要D/A的速度够快、精度够高就可以实现很宽范围的精密增益调节。

但是，由于控制量和增益呈指数关系，会造成增益调节不均匀。

方案三：使用控制电压与增益成线形关系的可编程放大器PGA，用控制电压和增益成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制。

采用可控增益运放AD600实现。

AD600的增益范围为0dB到40dB可调，具有低输入噪声、低失真、低功耗的良好，另外具有直流到35MHZ的高带宽范围，极能满足题目直流宽带放大器各方面的设计要求。

这种方法的优点是电路集成度高，条理清晰，控制方便，易于用单片机处理，能实现系统要求。

鉴于以上分析，我们采用方案三。

2、直流偏置调零方案比较与论证方案一：采用连接补偿电路来实现调零的功能，但偏置电压是随温度而变化的，无法自动实现电压偏置的调零。

方案二：采用一个加法电路，通过AD不断对加法器输出值进行采样，采用搜索算法，再通过DA输出，反馈到加法器的反相端与输入信号相加，直到输出的直流偏置为零，或者是在一个小的范围内变化。

方案三：可以采用低通滤波器，将直流偏置电压滤除，但由于设计的是直流宽带放大器，本系统还需对直流进行放大，因此不能采用该方案。

基于以上分析，我们采用方案二。

3、功率放大部分方案比较与论证方案一：采用三极管等分立器件实现。

该方法可以较为准确地调节放大倍数、输入输出阻抗等参数，但实际的调试过程比较复杂，而且由于分立元件的分布参数较大，会引入较大噪声和干扰。

方案二：采用驱动电流较大的放大器实现，如ADI公司生产的AD811、AD844等芯片。

该方法电路简单，增益可调，且只要芯片性能优良可以达到很高的信噪比。

两种方案都可以达到题目的要求，但方案二实现较简单，方便调试，故采用方案二。

二、系统总体设计方案及实现方框图1．系统总体设计方案根据题目的要求和方案的选择，本系统主要由三个模块电路组成：可控增益放大电路、偏置调零电路、功率放大电路和单片机显示和控制模块组成。

其中可变增益放大电路以AD600作为核心,通过12位串行DAC给予不同的控制电压实现增益范围为0～40dB。

前置放大采用由高速低噪声电压反馈型运放芯片LM6172、带宽为100M的运放LM6172构成的同向放大器，可以有效的抑制噪声和提高输入电阻。

后级放大之前，通过一个加法器电路,将直流偏置调零，再通过通道选择，经过截止频率分别为5M、10M的椭圆低通滤波器，实现增益带宽可选。

之后通过单片机控制三个继电器，达到三个增益范围可调的目的，最后总增益为0～60dB可调。

最后经过一级功率放大电路，使输出电压有效值不小于10V。

2. 系统总体设计框图二、理论分析与计算1、带宽增益积的计算1)增益控制部分AD600的基本增益公式为：GAIN(dB) = 40Vg + 10从上式可以看出，以分贝作单位的对数增益和电压之间是线性关系。

因此只需通过单片机进行简单的线性计算就可以控制对数增益，增益步进可以很准确的实现。

本系统采用16位串行D/A转换器MAX541, 基准源为4.096，所以可输出的最小电压步进为4.096/216=0.000625V=62.5uV，对应的增益步进为0.025dB，精确度足够高。

AD600可实现0~40dB的范围可调，在0~30dB增益范围内，其在0~10M的频率相应效果较好。

2)各级增益分配在10M频率范围内，前置放大为6dB，增益范围小于1dB,后级功率放大增益约为10dB 左右。

可控增益部分在0~30dB范围内可调，另外通过继电器控制三个增益档位，分别为-10dB、15 dB、40 dB左右，实际值根据实际系统调试适当改变，最终实现0~60 dB的增益范围可调。

2、通频带内增益起伏控制各级放大电路的运放芯片增益带宽积至少大于10MHZ,需要采用增益带宽积较大的芯片。

前级放大电路采用的运放LM6172为高速低噪声电压反馈型运放，其带宽为100MHZ。

放大6dB左右，使其在0~10MHZ通频范围内，增益起伏平坦。

AD600的增益范围为0dB 到40dB可调，具有低输入噪声、低失真、低功耗的良好，另外具有直流到35MHZ的高带宽范围，极能满足0~10MHZ通频带内增益起伏不大于1dB。

3、线性相位的理论分析本系统采用椭圆低通滤波器来实现放大器的增益带宽的选择，预置5M、10M两点。

椭圆滤波器chebyshev滤波器的设计是为了在接近通带的止带产生最佳的衰减，即，具有最快的滚降。

但是它在相位上不是线性的。

也就是说，不同的频率分量要受至少同时间延迟的支配。

bessel 型滤波器同受到广泛应用的buterworth 滤波器相比，具有最佳的线性响应，但是滚降就慢得多，并且较早就开始滚降。

逐次增大阶次的bessel 滤波器能获得改善的线性相位函数。

椭圆函数滤波器可以产生比butterworth 、chebyshev 或bessel 滤波器更陡峭的截止，不过却在通带和止带代入内容复杂的纹波，并造成高度的非线性相位响应。

但为了得到陡峭的截止，我们采用椭圆滤波器。

4、抑制直流零点漂移的理论分析采用一个加法电路，通过AD 不断对加法器输出值进行采样，采用搜索算法，再通过DA 输出，反馈到加法器的反相端与输入信号相加，直到输出值为零，或者是在一个小的范围内变化。

三、主要功能电路设计3) 1）前级放大 2) 抑制直流零点漂移电路图1 前级放大2）可控增益放大该部分以集成可变增益放大器AD600为核心,AD600的增益（dB ）与控制电压成线形关系，它有一个电压控制端，通过改变控制端的电压就可以获得不同的放大倍数。

但为了实现步进基本连续，我们用DAC 来给予其增益控制端电压，实现步进的连续性。

另外我们可于是我们选择16MAX541外围电路非常简单。

同时在将电压由于AD600的输入电阻只有100欧姆，要满足输入阻抗≥1k Ω的要求，必须加入输入缓冲部分用以提高输入阻抗；另外前级电路对整个电路的噪声影响非常大，必须尽量减小噪声。

故采用高带宽低噪声运放LM6171作前级隔离放大。

电路如下：图3 抑制直流零点漂移图2 可控增益放大电路四、系统软件设计1）MAX197控制模块如图4-2：此模块的功能是：双向口data197[7..0]是和MAX197传递信息的数据总线，P0[7..0]是与单片机P0口连接的数据总线。

图4 MAX197的控制模块五、系统测试与数据分析1、测试条件(1).测试仪器清华同方计算机：奔腾4 CPU + 512M内存 + Windows XP操作系统直流稳压稳流电源：型号SG1733SB360M双信道数字存储示波器：型号Tektronix TDS 1002数字信号源：型号Agilent 33120A数字万用表：型号FLUKE 45dual(2).测试条件工作电源电压：±15V ±12V ±5V 测试环境温度: 26℃2、测试方法及测试结果（1）测试方法将各级电路级联起来,输入0V的正弦信号，接入600欧姆的负载。

先调整10dB增益,即调节送入16位DAC的控制电压.然后分别将增益设置在16、22、28、34、40dB等，细调AD输出控制电压。

找出并验证其线形关系，做必要的修正。

并通过前后的检波系统和单片机的控制，使增益有自适应性和智能性，通过这种方法理论上可以将误差控制到极小的范围。

（2）测试结果1）输出最大有效值输入频率为1MHz ，有效值小于10mV的正弦信号，设置增益为60dB，得到输出电压有效值为10V。

满足题目发挥部分要求不小于10V的要求。

2）输出噪声电压增益设为0~60dB，将输入端短接到地，得到输出噪声电压为74 mV，满足题目要求小于0.3V的要求。

O3）频率特性测量增益可控制范围为0~60dB，将频率从0变化到10M测试的结果（频率—KHz，输出—dB）。

由于系统加入了增益监控和自动调整功能。

则增益控制较为准确。

4）增益误差测量3、测试数据分析由于我们采用了16位DAC对控制增益端施加电压，由于其精度较高，在加上AD603。