设计宽带直流放大器心得总结
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
宽带直流放大器
作者:张 超 董 卓 指导老师：宓 茜 梁 显
摘
要
本作品以单片机 MSP430G2553 为控制核心及数据处理核心， 采用可变增益放大器 AD603 作为提高增益的核心器件， 设计并制作了一个宽带直流放大器及所需的高效率直流稳压电源。 使用了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激，该放大器电路结构简单，性能稳定，功 能完善，达到了各项设计指标，并具有零点自动校准功能，能较好地抑制直流零点漂移。
Abstract
This system, taking the MCU MSP430G2553 as the control core, designs a Wideband DC Amplifier and the required efficient DC power supply. It employs variety of anti-interference measure to reduce noise and to inhibit high-frequency self –excited. With concise circuit structure and stable performance, this amplifier has comprehensive functions and meets all the requirements. What is more, the system has the function of automat zero calibration to restrain DC zero drift.
2.调零放大器电路
该部分为电压反馈型运放 OPA690 构成的一个加法电路，如图 C-2-3 所示。OPA690 具有 1800V/μ s 摆率，单位增益带宽积为 500MHz,完全能够将 AD603 输出信号放大 3 倍。由 D/A 转换器输出电压加在 OPA690 输入端，对 AD603 输出的直流偏置电压进行校正。OPA690 另 一路采用加法方式输入-5V， 调节双通道 D/A 转换器 TLV5638 输出的单极性电压 （0～4.096V） 变换为双极性电压。双通道 D/A 转换器 TLV5638 另一路为 AD603 输出控制电压；调零用的 采样 A/D 转换器利用 MSP430 的内部 A/D，节约了 A/D，降低了系统的成本。
2.通频带内增益起伏控制
由于各器件的幅频特性以及滤波器的幅频特性不平坦多种因素， 系统通频带内增益会出 现起伏。如 AD603 的频率响应特性有一个增益尖峰，调节 AD603 的 5 脚和 7 脚的电阻可以 使增益变化范围进行平移。该电阻选取合适时，将增益尖峰调节在 10MHz 之后，在 10MHz 通频带以内，保证 AD603 构成的前级放大电路输出信号幅度平坦。后级程控放大和功率放 大，选取各参数指标（如增益带宽积、摆率、失调电流、失调电压、温度系数等）满足本系 统设计要求和运放，使信号调理时在 10Hz 以内幅频特性平坦。再通过无源椭圆滤波器实现 题目要求的 5MHz 和 10MHz 的-3dB 截止频率。 椭圆函数滤波器在有限频带上既有零点又有极点， 极零点在通频带内产生等纹波， 通频 带内出现增益起伏。椭圆滤波器的通带波纹 RdB 反射系数 ρ 之间的关系为：RdB=-10lg(1- ρ2), 将 ρ 减小，通带波纹会减小。可根据通带内的纹波特性，将 AD603 的控制电压通过软件作 一拟合曲线，调整 AD603 的控制电压进一步减小波纹带来的增益起伏。但这样需要对信号 进行测频才能得到对应频点上的调整控制电压，会同时增加硬件和软件的复杂性。因此，本 系统将椭圆滤波器的通带纹波设计的尽量小，使满足通频带增益起伏不大于 1dB 的题目要 求。
图 C-2-1 系统总体框图
三、理论分析与计算
1.带宽增益积
带宽增益积是指放大电路通带电压增益与通频带的乘积。 对电压反馈型运放， 带宽增益积是一个常数。 典型的电压反馈型运放构成的同相放大电 路的增益可用 A 表示：������ = 1+(1+������
1+������ƒ /������������
4.放大器稳定性
放大器要达到绝对稳定，放大器不仅不能同时接近自激振荡条件： ∆φT=180 °和 20lg|T|=0dB，而且要留有适当的富裕量。富裕量越大，放大器越不易产生自激振荡，但设 计也就越困难，对放大器所使用的元器件的要求更严格。 不良接地和不充分的供电电源滤波、大容量容性负载、输入杂散电容的影响、前沿校正 （补偿） 和高频噪声都对运算放大器的稳定性有影响。 一些高速运放只有在增益大于 5 或更 大时才会稳定。 本系统具有较好的稳定性。 通过电源旁路电路增加电路的稳定性， 许多电源和地之间使 用 10μ F 的钽电容再并联一个 0.1μ F 的陶瓷电容。每一级输出端增加了一个串联电阻，减 小负载容性影响。 可在反馈电阻上并联一个反馈电容， 构成超前相位补偿来补偿输入杂散电 容的影响。 同时本系统的椭圆滤波器抑制了高频噪声，也加强了放大器的稳定性。
四、主要硬件电路设计
1.AD603 构成的前级放大电路
如图 C-2-2 所示，信号经 SMA 接头输入放大器。由于 AD603 的输入电阻为 100Ω ，故在 输入端接 100Ω 的电阻 R1 到地，使放大器输入阻抗为 50Ω 。电路增益由 1、2 脚间电压差 VG 控制，2 脚接固定参考电压，1 脚电压由 D/A 转换器控制，或由变位器手动调节控制，实 现增益连续调节。AD603 的增益为 G（dB）=40×VG+G0，AD603 的 5、7 脚间接 3KΩ 的反 馈电阻 Rf,,使 G0=21.58dB,增益调节在 1.58～41.58dB 的范围。
-
5 6 一路至滤波器 输出
7
1 AD603
6
。 。。
3
R3 10kΩ
D/A 1 Rp 10kΩ +5V
Rc 270Ω
3
+
1 4 0.1μF
8 OPA690
一路单片机内部A/D
连续可调变位器
-5V
图 C-2-2 AD603 构成的前级放大电路
图 C -2-3 调零放大电路
3.椭圆滤波器
分别设计了-3dB 截止频率为 5MHz 和 10MHz 的 9 阶无源滤波器。根据滤波器设计手册 中的归一化设计表格，可以查表得到所需要的电容和电感值。并通过滤波软件仿真，根据仿 真得到的幅频特性曲线对电容电感值做出调整。 图 C-2-4 为 10MHz 的椭圆滤波器的电路及仿 真幅频特性曲线图。实际测试结果为：截止频率为 10.2MHz，带内起伏不大于 0.6dB。
二、总体方案设计及系统方框图
系统总体框图如图 C-2-1 所示。输入信号经过前级放大电路、后级程控放大和末级功率 放大， 实现了 90dB 的最大电压增益。 后级功率放大器使用高电压输出的宽带运放 THS3091， 提高了输出电压有效值。单片机通过 D/A 转换器调整 AD603 的控制电压，通过继电器切换 后级程控放大电路通道， 实现了放大器增益的预置和控制功能， 大大提高了系统的精度和可 控性。通过切换两路椭圆滤波器实现了通频带选择。手动调节连续可调电位器，连续改变 AD603 的控制电压， 实现了增益连续调节功能。 本放大器的直流偏置和直流零点漂移主要由 AD603 输出端引入，AD603 增益不同时，输出的直流偏置电压不同。将本直流放大器输入短 路， 用 MSP430G2553 内部 A/D 转换器对直流偏置电压采样， 利用单片机和数字算法控制 D/A 转换器 TLV5638 输出对应的调节电压， 控制调零放大器调节直流偏置电压为零， 既抑制了直 流零点漂移，又实现了自动调零校准功能。
一、方案来自百度文库较与选择
题目分析：综合分析题目要求，在较宽的信号带宽（0～10MHZ）内，实现最大电压增 益≥60dB，且能够连续调节增益或能够以 5dB 步距预置增益，是本题的最大难点，也是设计 的重点之一。 另一难点是后级率放大模块的设计要使最大输出电压正弦波有效值 Vorms≥10V。 要得到更好的性能指标，放大电路的零点漂移也是一个很难解决的问题。此外，在整个放大 器的设计中，要考虑其成本。
0.01μF 1μF 100μF 8 SMA 3 100Ω R1 30KΩ 7.5KΩ 4 2 0.1μF 10μF 0.01μF -5V
100μF 1μF GND IN
连AD603输出 输入
R4 1.5kΩ
+5 5
Rf
3kΩ
至调零放大器 输出
R1 500Ω -5V R2 50kΩ D/A
+5V 0.1μF 7 2
0 -50.00
G/dB
-100.00 -150.00 -200.00 1.00m 100.00m 10.00 1.00k 100.00k 10.00M
3.抑制直流零点漂移
零点漂移时直流放大器直流工作点的渐进的慢变化。 产生零点漂移的原因有很多， 电路 中任何元器件参数的变化，供电电源的波动，都会造成输出电压的漂移，但主要因素还是温 度的影响。零漂是一种不规则的缓慢变化，增益越大，放大级数越多，在输出端出现的零漂 现象越严重，因此主要考虑放大电路第一次零漂的抑制。 前级放大器 AD603 后面接入一级放大器作为调零放大器，将本直流放大器输入端路， 以 0.1dB 步进控制 AD603 的增益，不断采样 AD603 的输出直流偏置电压，并通过单片机控 制 D/A 转换器在调零放大器的调零端加入对应的校正电压，使这个直流偏置电压驱动为零， 从而很大程度上抑制了直流零点漂移。 后级放大电路中，应尽量采用高指标型的低温漂运算放大器，如后级采用了 OPA690、 OPA699、 THS3001 和 THS3091，它们都具有较低的失调电流和失调电压，但属于高速运放， 失调电压温漂系数不一定很小，如末级功放采用的 THS3091 其失调电压温漂为±10μ V/℃, 因此在一些运放输入端采用了电位器调零措施， 而且对功放还安装了小风扇进行散热来抑制 温漂。
L1 1.8μH 5 R1 135.8Ω 1 78pF C2 62pF 0 C1 L2 1.8μH C3 2 109pF C6 134pF 3 C7 105pF L3 1.2μH C4 182pF 4 C8 139pF L4 2.7μH C5 19pF C9 100pF
7 R2 135.8Ω
9 阶 10MHz
1. 信号增益控制及功率放大方案设计
方案一：采用三级管构成的多级放大电路实现不小于 60dB 的增益，并使用分立元件自 行搭建后级功放大。 本方案成本低， 但电路设计复杂， 增益的步进调节或连续调节难以实现， 调试烦琐，且电路稳定性差，容易产生自激现象。 方案二：采用集成芯片，如采用低噪声、精密控制的可变增益放大器 AD603 作增益控 制核心器件，采用高电压输出的带宽运放完成功率输出。AD603 温度稳定性高，其增益于控 制电压成线性关系，使用 D/A 输出控制电压能实现精确数控。 综上所述，采用方案二，电路集成度高、控制方便、易于单片机控制。
ƒ
/������������ )/������ (������ )
，其中 A(ω)为开环增益，是随频率增加而减小的
函数；Rf 为反馈电阻，Rg 为接在反相输入端到地的增益电阻。当（1+Rf/Rg）/A(ω)=1 时，频 率为-3dB 频率ƒ3dB,闭环增益 1+（Rf/Rg）越大，ƒ3dB 越小。 对电流反馈型运放，带宽增益积并不为常数。其频率ƒ3dB 由反馈电阻 Rf 决定，即电流反 馈型运放的频率特性几乎不受闭环增益的影响。 本系统设计最大电压增益不小于 60dB,通频带最大达到 10MHz，由于电压增益和通频带 都很大，则要求的带宽增益积就更大。实际不可能会有这么大的带宽增益积的运放，因此应 该设计为多级放大。每一级放大设计时，若选用电流型运放，首先要选取合适的 Rf,再根据 放大倍数的设计选取 Rg;若选用电压反馈型运放，则在放大倍数（即闭环增益）确实时，要 考虑其带宽增益积足够大。整个系统的设计中，要根据通频带（5MHz 或 10MHz）和放大倍数 来考虑整个放大系统的增益带宽积。
作者:张 超 董 卓 指导老师：宓 茜 梁 显
摘
要
本作品以单片机 MSP430G2553 为控制核心及数据处理核心， 采用可变增益放大器 AD603 作为提高增益的核心器件， 设计并制作了一个宽带直流放大器及所需的高效率直流稳压电源。 使用了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激，该放大器电路结构简单，性能稳定，功 能完善，达到了各项设计指标，并具有零点自动校准功能，能较好地抑制直流零点漂移。
Abstract
This system, taking the MCU MSP430G2553 as the control core, designs a Wideband DC Amplifier and the required efficient DC power supply. It employs variety of anti-interference measure to reduce noise and to inhibit high-frequency self –excited. With concise circuit structure and stable performance, this amplifier has comprehensive functions and meets all the requirements. What is more, the system has the function of automat zero calibration to restrain DC zero drift.
2.调零放大器电路
该部分为电压反馈型运放 OPA690 构成的一个加法电路，如图 C-2-3 所示。OPA690 具有 1800V/μ s 摆率，单位增益带宽积为 500MHz,完全能够将 AD603 输出信号放大 3 倍。由 D/A 转换器输出电压加在 OPA690 输入端，对 AD603 输出的直流偏置电压进行校正。OPA690 另 一路采用加法方式输入-5V， 调节双通道 D/A 转换器 TLV5638 输出的单极性电压 （0～4.096V） 变换为双极性电压。双通道 D/A 转换器 TLV5638 另一路为 AD603 输出控制电压；调零用的 采样 A/D 转换器利用 MSP430 的内部 A/D，节约了 A/D，降低了系统的成本。
2.通频带内增益起伏控制
由于各器件的幅频特性以及滤波器的幅频特性不平坦多种因素， 系统通频带内增益会出 现起伏。如 AD603 的频率响应特性有一个增益尖峰，调节 AD603 的 5 脚和 7 脚的电阻可以 使增益变化范围进行平移。该电阻选取合适时，将增益尖峰调节在 10MHz 之后，在 10MHz 通频带以内，保证 AD603 构成的前级放大电路输出信号幅度平坦。后级程控放大和功率放 大，选取各参数指标（如增益带宽积、摆率、失调电流、失调电压、温度系数等）满足本系 统设计要求和运放，使信号调理时在 10Hz 以内幅频特性平坦。再通过无源椭圆滤波器实现 题目要求的 5MHz 和 10MHz 的-3dB 截止频率。 椭圆函数滤波器在有限频带上既有零点又有极点， 极零点在通频带内产生等纹波， 通频 带内出现增益起伏。椭圆滤波器的通带波纹 RdB 反射系数 ρ 之间的关系为：RdB=-10lg(1- ρ2), 将 ρ 减小，通带波纹会减小。可根据通带内的纹波特性，将 AD603 的控制电压通过软件作 一拟合曲线，调整 AD603 的控制电压进一步减小波纹带来的增益起伏。但这样需要对信号 进行测频才能得到对应频点上的调整控制电压，会同时增加硬件和软件的复杂性。因此，本 系统将椭圆滤波器的通带纹波设计的尽量小，使满足通频带增益起伏不大于 1dB 的题目要 求。
图 C-2-1 系统总体框图
三、理论分析与计算
1.带宽增益积
带宽增益积是指放大电路通带电压增益与通频带的乘积。 对电压反馈型运放， 带宽增益积是一个常数。 典型的电压反馈型运放构成的同相放大电 路的增益可用 A 表示：������ = 1+(1+������
1+������ƒ /������������
4.放大器稳定性
放大器要达到绝对稳定，放大器不仅不能同时接近自激振荡条件： ∆φT=180 °和 20lg|T|=0dB，而且要留有适当的富裕量。富裕量越大，放大器越不易产生自激振荡，但设 计也就越困难，对放大器所使用的元器件的要求更严格。 不良接地和不充分的供电电源滤波、大容量容性负载、输入杂散电容的影响、前沿校正 （补偿） 和高频噪声都对运算放大器的稳定性有影响。 一些高速运放只有在增益大于 5 或更 大时才会稳定。 本系统具有较好的稳定性。 通过电源旁路电路增加电路的稳定性， 许多电源和地之间使 用 10μ F 的钽电容再并联一个 0.1μ F 的陶瓷电容。每一级输出端增加了一个串联电阻，减 小负载容性影响。 可在反馈电阻上并联一个反馈电容， 构成超前相位补偿来补偿输入杂散电 容的影响。 同时本系统的椭圆滤波器抑制了高频噪声，也加强了放大器的稳定性。
四、主要硬件电路设计
1.AD603 构成的前级放大电路
如图 C-2-2 所示，信号经 SMA 接头输入放大器。由于 AD603 的输入电阻为 100Ω ，故在 输入端接 100Ω 的电阻 R1 到地，使放大器输入阻抗为 50Ω 。电路增益由 1、2 脚间电压差 VG 控制，2 脚接固定参考电压，1 脚电压由 D/A 转换器控制，或由变位器手动调节控制，实 现增益连续调节。AD603 的增益为 G（dB）=40×VG+G0，AD603 的 5、7 脚间接 3KΩ 的反 馈电阻 Rf,,使 G0=21.58dB,增益调节在 1.58～41.58dB 的范围。
-
5 6 一路至滤波器 输出
7
1 AD603
6
。 。。
3
R3 10kΩ
D/A 1 Rp 10kΩ +5V
Rc 270Ω
3
+
1 4 0.1μF
8 OPA690
一路单片机内部A/D
连续可调变位器
-5V
图 C-2-2 AD603 构成的前级放大电路
图 C -2-3 调零放大电路
3.椭圆滤波器
分别设计了-3dB 截止频率为 5MHz 和 10MHz 的 9 阶无源滤波器。根据滤波器设计手册 中的归一化设计表格，可以查表得到所需要的电容和电感值。并通过滤波软件仿真，根据仿 真得到的幅频特性曲线对电容电感值做出调整。 图 C-2-4 为 10MHz 的椭圆滤波器的电路及仿 真幅频特性曲线图。实际测试结果为：截止频率为 10.2MHz，带内起伏不大于 0.6dB。
二、总体方案设计及系统方框图
系统总体框图如图 C-2-1 所示。输入信号经过前级放大电路、后级程控放大和末级功率 放大， 实现了 90dB 的最大电压增益。 后级功率放大器使用高电压输出的宽带运放 THS3091， 提高了输出电压有效值。单片机通过 D/A 转换器调整 AD603 的控制电压，通过继电器切换 后级程控放大电路通道， 实现了放大器增益的预置和控制功能， 大大提高了系统的精度和可 控性。通过切换两路椭圆滤波器实现了通频带选择。手动调节连续可调电位器，连续改变 AD603 的控制电压， 实现了增益连续调节功能。 本放大器的直流偏置和直流零点漂移主要由 AD603 输出端引入，AD603 增益不同时，输出的直流偏置电压不同。将本直流放大器输入短 路， 用 MSP430G2553 内部 A/D 转换器对直流偏置电压采样， 利用单片机和数字算法控制 D/A 转换器 TLV5638 输出对应的调节电压， 控制调零放大器调节直流偏置电压为零， 既抑制了直 流零点漂移，又实现了自动调零校准功能。
一、方案来自百度文库较与选择
题目分析：综合分析题目要求，在较宽的信号带宽（0～10MHZ）内，实现最大电压增 益≥60dB，且能够连续调节增益或能够以 5dB 步距预置增益，是本题的最大难点，也是设计 的重点之一。 另一难点是后级率放大模块的设计要使最大输出电压正弦波有效值 Vorms≥10V。 要得到更好的性能指标，放大电路的零点漂移也是一个很难解决的问题。此外，在整个放大 器的设计中，要考虑其成本。
0.01μF 1μF 100μF 8 SMA 3 100Ω R1 30KΩ 7.5KΩ 4 2 0.1μF 10μF 0.01μF -5V
100μF 1μF GND IN
连AD603输出 输入
R4 1.5kΩ
+5 5
Rf
3kΩ
至调零放大器 输出
R1 500Ω -5V R2 50kΩ D/A
+5V 0.1μF 7 2
0 -50.00
G/dB
-100.00 -150.00 -200.00 1.00m 100.00m 10.00 1.00k 100.00k 10.00M
3.抑制直流零点漂移
零点漂移时直流放大器直流工作点的渐进的慢变化。 产生零点漂移的原因有很多， 电路 中任何元器件参数的变化，供电电源的波动，都会造成输出电压的漂移，但主要因素还是温 度的影响。零漂是一种不规则的缓慢变化，增益越大，放大级数越多，在输出端出现的零漂 现象越严重，因此主要考虑放大电路第一次零漂的抑制。 前级放大器 AD603 后面接入一级放大器作为调零放大器，将本直流放大器输入端路， 以 0.1dB 步进控制 AD603 的增益，不断采样 AD603 的输出直流偏置电压，并通过单片机控 制 D/A 转换器在调零放大器的调零端加入对应的校正电压，使这个直流偏置电压驱动为零， 从而很大程度上抑制了直流零点漂移。 后级放大电路中，应尽量采用高指标型的低温漂运算放大器，如后级采用了 OPA690、 OPA699、 THS3001 和 THS3091，它们都具有较低的失调电流和失调电压，但属于高速运放， 失调电压温漂系数不一定很小，如末级功放采用的 THS3091 其失调电压温漂为±10μ V/℃, 因此在一些运放输入端采用了电位器调零措施， 而且对功放还安装了小风扇进行散热来抑制 温漂。
L1 1.8μH 5 R1 135.8Ω 1 78pF C2 62pF 0 C1 L2 1.8μH C3 2 109pF C6 134pF 3 C7 105pF L3 1.2μH C4 182pF 4 C8 139pF L4 2.7μH C5 19pF C9 100pF
7 R2 135.8Ω
9 阶 10MHz
1. 信号增益控制及功率放大方案设计
方案一：采用三级管构成的多级放大电路实现不小于 60dB 的增益，并使用分立元件自 行搭建后级功放大。 本方案成本低， 但电路设计复杂， 增益的步进调节或连续调节难以实现， 调试烦琐，且电路稳定性差，容易产生自激现象。 方案二：采用集成芯片，如采用低噪声、精密控制的可变增益放大器 AD603 作增益控 制核心器件，采用高电压输出的带宽运放完成功率输出。AD603 温度稳定性高，其增益于控 制电压成线性关系，使用 D/A 输出控制电压能实现精确数控。 综上所述，采用方案二，电路集成度高、控制方便、易于单片机控制。
ƒ
/������������ )/������ (������ )
，其中 A(ω)为开环增益，是随频率增加而减小的
函数；Rf 为反馈电阻，Rg 为接在反相输入端到地的增益电阻。当（1+Rf/Rg）/A(ω)=1 时，频 率为-3dB 频率ƒ3dB,闭环增益 1+（Rf/Rg）越大，ƒ3dB 越小。 对电流反馈型运放，带宽增益积并不为常数。其频率ƒ3dB 由反馈电阻 Rf 决定，即电流反 馈型运放的频率特性几乎不受闭环增益的影响。 本系统设计最大电压增益不小于 60dB,通频带最大达到 10MHz，由于电压增益和通频带 都很大，则要求的带宽增益积就更大。实际不可能会有这么大的带宽增益积的运放，因此应 该设计为多级放大。每一级放大设计时，若选用电流型运放，首先要选取合适的 Rf,再根据 放大倍数的设计选取 Rg;若选用电压反馈型运放，则在放大倍数（即闭环增益）确实时，要 考虑其带宽增益积足够大。整个系统的设计中，要根据通频带（5MHz 或 10MHz）和放大倍数 来考虑整个放大系统的增益带宽积。