第4组电压控制增益可变放大器设计VGA设计DOCWord下载.docx
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UsingFPGAascontrolcore,anewmethodofdesigningaprogrammablegainamplifierwhichcanhandlewiththesignalthathasthefrequencymorethen15MHz,andtheamplitudelessthen1Vbyusingvolt-controllinggainamplifierVCA822ispresentedasfollowing.Theamplifiercanbemodulatedfrom10dBto58dB,withthefunctionofautomaticallycontrollinggain.Theoutputsideofthisamplifieradoptsthepush-pullcircuitconstructedbywidebandamplifierAD811anddiscretecomponents,andenforcesitsabilityofdrivingloads.
Keywords:
widebandamplifier;
VCA822;
controlofgain;
push-pullcircuit
1、系统方案比较与设计
1.1总体方案论证
分析VGA放大器设计要求的指标,增益调节范围为17~58dB,带宽大于等于15MH,控制电压Vg=-1V~+1V,Ri>
10MΩ;
当接50Ω的负载,要求Vop≥10V。
针对上述特点,我们将整个放大器分为三个模块:
前置缓冲级,增益可调的中间放大级,末级功率放大级。
系统整体框图如图1所示。
其中难点是增益可调放大级和末级功率放大级,下面对这两个部分的方案分别进行设计论证。
图1、系统整体框图
1.2主放大器选择
方案一:
采用分立元件设计。
此方案元器件成本低,但设计复杂度较大,并且由于受到众多寄生元件的影响,调试工程复杂且周期长,频率高时更突出。
方案二:
采用高速宽带集成运放组成多级运放电路。
应用多级运放可以得到很大的增益,并且对单个运放的性能要求较低,系统总增益等于各运放增益的和,可以将信号放大和功率放大分开处理;
带宽也比较好控制,可以选择多种耦合方式,充分的发挥出电路的性能;
电路结构也比较简单,性价比也比较高。
方案选择:
由于题目要求的增益带宽积很大,性能要求比较高,所以选择方案二采用多级运放电路。
1.3中间放大级方案论证
采用三极管构成多级放大电路
若用分立元件构成58dB放大器,则须采用三极管构成的多级放大器。
此方案选材方便、成本较低。
但是选择合适的三极管配对组合费时费力,并且题目给出的指标较高,三级管构成的多级放大器容易引起更多的干扰,影响放大质量。
此外,晶体管构成的多级放大电路不易实现大范围的增益连续可调,这是相比于集成运算放大器的又一大缺点。
采用带宽增益积大的运算放大器制作多级放大电路。
以OPA842和OP37为例,利用OPA842带宽增益积大的特点,使输入的小信号充分放大,再用轨对轨运放TLV2462放大至有效值10V。
这种方法采用电位器或者数字电位器连续调节放大倍数,设计简洁,但是要求-1~1V电压控制,难以实现。
方案三:
采用集成宽带的可调增益放大器。
题目要求-1~1V电压控制,我们选择了宽带可控增益放大器VCA822,最大工作频带宽度可达150MHz,放大器增益由控制电压和外围电阻阻值共同决定,可以很好的满足需求。
并且,VCA822采用电压控制放大,能够方便的通过单片机配合DAC控制。
比较上述三种方案:
方案一调整增益不便,方案二的难以实现题目要求的压控,方案三能够很好的满足要求,最终选择方案三。
1.4末级功率放大器方案论证
若采用分立元件,使用大功率、高速三极管推挽输出可以提高放大器的输出功率,驱动能力较强。
但这种电路温度漂移严重,低频及直流时会严重影响输出效果。
并且元器件较多,布线与调试繁琐、抗干扰能力较差。
采用集成功率放大芯片,如AN7115。
这种方法简洁,调节方便。
但是集成功放一般用于音频放大,无法满足宽带要求。
采用运放配合三极管实现。
使用电流反馈型运放AD811和三极管2N3904和2N3906构成甲乙类互补对称功放电路,加入适当的反馈,即可提供大的电压增益和电流增益,从而达到宽带功放的目的。
比较上述三种方式:
使用分立元件有其优势,但是调试困难,低频响应与稳定性之间有矛盾,不适合作直流放大;
集成功率放大器难以满足宽带放大要求;
使用电压反馈型运放OPA642芯片配合三极管可以方便的实现了上述功能。
最终选择方案三。
2、理论分析与计算
下面结合宽带放大器的各项指标,主要包括带宽增益,输出电压幅值,稳定性,线性相位分析4个方面,进行简要的理论分析计算,同时确定电路设计所需要的元器件。
2.1带宽增益积分析
由于多级放大电路的通频带比组成它的每一级的通频带窄,所以在芯片选型和电路设计中要分析带宽增益积,合理地配置各级的增益和带宽。
主要指标分配为:
(1)前置缓冲器:
阻抗匹配,信号衰减一倍;
AD818同向放大两倍,最终增益为0dB,带宽>
130MHz;
(2)中间放大级:
-1~1V电压控制VCA822增益-20~20dB,带宽>
60MHz;
OPA699增益等于29dB,带宽>
33MHz;
VCA822和OPA699都要进行阻抗匹配,信号衰减2倍;
最终增益-2~37dB。
(3)末级放大级:
增益>
20dB,带宽>
20MHz。
这样设计的宽带放大器增益范围大于17~57dB,频带宽度大于15MHz。
2.2输出电压幅值
在0~15MHz的通频带内,要求负载RL=50Ω,VOP≥10V。
(1)经计算得功率≥5W所以负载电阻需要大功率的水泥电阻。
(2)输出电流≥2A,所以放大电路之后需要加一个功率放大电路。
2.3放大器稳定性分析
由于采用三级放大器级联的方式,为了减少高频自激和消振困难,电路布线尽可能短,还要注意阻抗匹配;
同时,为了消除内阻引起的寄生震荡,还要在运放电源端就近接去耦电容。
3、单元电路设计
3.1前级缓冲电路
图2、前级缓冲电路图
前级输入信号由示波器提供,其中,示波器的有51
的内阻,所以需要进行阻抗匹配,匹配信号源和传输线之间的阻抗,减少反射,避免振荡,通过电阻分压将信号衰减一半。
AD818进行同相放大,增益:
=1+
/
=2
最终使得
3.2增益可调的中间放大级
图3、增益可调的中间放大级电路
中级放大器使用一片VCA811和一片OP699实现。
宽带可控增益放大器VCA822,在控制电压的作用下,可实现精确的增益,且按
线性变化。
其基本增益:
其中
是-1~1V的控制电压,可以通过单片机通过AD转换控制输入,本课题直接通过电阻分压,通过调节定位器控制输入。
VCA822后面接入OPA699,OPA699为高增益、高摆率宽带运放,其工作带宽可达到1000MHz,采用该器件设计增益G为30的放大器,完全满足带宽为15MHz的要求。
3.3末级功率放大
图4、末级功率放大
为了增加系统的带负载能力,考虑到运算放大器AD811自身负载驱动的限制,这里选用AD811配合高频中小型功率三极管2N3904(NPN型)和2N3906(PNP型)(两功率管特征频率
)OCL功率放大器。
前级由AD811组成反向相放大器:
=
=6.5
反向放大不需要进行阻抗匹配,可以避免增益的衰减。
4、系统测试
3.1测试方法
1、频率不变,通过改变输入信号的大小,测量输出并记录数据,绘制增益控制特性曲线。
2、输入信号不变,频率的大小,测量输出并记录数据,测试放大器的频率响应特性。
3.2测试步骤
1、从前级缓冲、中级放大、末级功放一级一级地检查地测量电路。
2、每一级检查无误后开始连调。
3、频率不变,通过改变输入信号的大小,用示波器测量输出并记录数据。
4、输入信号不变,频率的大小,用示波器测量输出并记录数据。
3.3所用仪器设备
电源:
直流稳压电源YB1732A/3AYB1732A/3A
信号源:
数字信号发生器SPF20ASPF20A
波形测量:
数字双踪示波器SDS1102CFLSDS1102CFL
3.4数据记录
5、结论
6、参考文献
[1]代万辉,陈松方,全国电子设计大赛培训宝典[M],北京:
北京航空航天大学出版社,2012
[2]康华光,陈大钦,张林,模拟电子技术基础,[M],北京,高等教育出版社,2006
7、附录
附录一:
系统总图
附录二:
元器件清单
AD8181片
VCA8221片
OPA6991片
电阻、电容、接插件、导线若干
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