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实验要求。
比较上述两种方案,方案一能更好的完善题要求的指标,方案二虽然成本较低,
但是不容易达到题目要求,且前级配置的高低对后级电路影响很大。
故选择方案一。
2.中间增益放大级方案论证
方案一:
采用三极管构成多级放大电路
若用分立元件构成60dB放大器,则须采用三极管构成的多级放大器。
此方案
有选材方便和成本较低的优点,但是选择性能合适的三级管比较费时间,选择合适
的三极管配对组合更是不容易,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。
所以,我们
对下一种方案进行论证。
使用集成运放OPA620构成2级放大
单个OPA620的增益可调范围为-20bB—+20dB,采用两级相连,则可以实
现-40dB-+40dB的可调范围。
从厂商的数据手册可以看出,OPA620外围电路简单,
容易操控,通频带内增益起伏小于0.05dB,且放大效果较好。
但是若要求实现提高
部分0-60dB全范围的连续可调,两级OPA620放大则不能达到题目要求。
方案三:
使用低噪声增益可控放大器AD603
使用两级AD603构成的增益可调放大电路。
AD603是主要用于RF和IFAGC系统的低噪声可调增益放大器,它具有引脚可
编程增益功能,可以使用一个外部电阻设置增益范围内的任何增益子范围,控制接
口可以输入差分电压,也可以输入单端的正控制或负控制电压,使用十分方便。
单
级AD603便可以实现0-40dB的电压放大,且该增益范围内有30MHz的频带宽,性
能优异,如果采用两级连放,理论上可以实现0-80dB的增益可调范围,能满足题目
要求。
其次,AD603构成的增益可控放大电路有很大的提升空间,可以通过电位器
获取基准电压进行手动控制,通过模拟开关连接电阻器实现增益程控,通过单片机
配合DAC模块实现不同精度的增益数控。
所以比较上述两种方案,AD603与OPA620相比,容易实现增益数控,AD603
有更高的性价比,我们最终选择方案三。
3.增益控制电路
方案一:
单片机和数模转换芯片实现增益可调
使用89C51单片机,选择稳定的基准电压,配合DAC0832输出电压信号控制
AD603,从而实现增益数控。
DAC0832是采样频率为8位的D/A转换芯片,集成电路内有两级输入寄存器,
D/A转换结果采用电流形式输出,理论精度为1/256,能满足增益步进5dB的要求。
该芯片价格便宜,使用方便,算是较常用的8位DAC芯片。
该芯片为电流输出型,
若采用该芯片实现AD603的增益可控,则须在输出端加上运算放大器LM324,实现
电流到电压的转换,从而稳定实现增益可调。
单片机、模拟开关和电阻网络实现增益可调
使用89C51单片机,配合模拟开关控制不少于12个串联的电阻,通过取得电阻
上的稳定电压控制AD603,从而实现步进为5dB的增益数控。
模拟开关控制电阻网
络与DAC模块工作原理相似,但是精度就远远不如8位DAC,并且使用模拟开关
和电阻网络扩大了控制电路,电路集成度降低,引入更多的干扰因素。
再者,从成
本上看来,该方案也是不经济的。
滑动变阻器实现增益手动可调
通过电位器获取与基准电压成一定比例的控制电压输入AD603控制端,实现手
动增益可调。
该方案很容易实现增益连续可调,相比以上两种方案成本是最低的,理论控制
精度最高,精度仅有电阻器可调精度决定,但是此方案仅适用于固定范围内的手动
调节,在操作上有一定的局限性,偏离当今电子类产品智能化、高效化发展的主题。
通过上述方案比较,我们选择方案一,单片机89C51和DAC0832实现增益连
续可调,并可充分利用单片机拓展显示和预置功能。
4.后级功率放大电路
采用分立元件搭建
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,
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。
利用集成功率放大实现
若采用集成电路芯片,则电路简单、调节方便、性能稳定。
但集成功放一般用
于音频放大,难以实现题目要求的带宽。
采用集成运放配合分立元件搭建的后级功率放大
前级由运放对信号进行放大,后级由分立元件搭成功率放大电路对信号进行功
率放大。
本模块选用THS3091配合高频功率对管2N2905A和2N2219A晶体三极管构
成准互补对称的功放电路。
相比直接由两片集成运放并联级构成的功放电路具有更
高的输出功率和更强的带负载能力。
方案四:
由高输出电流及电压型运放并联构成功率型放大器
本方案直接使用三个THS3091并联组成后级功放电路。
THS3091为高电压低失真
高电流输出运放,三个THS3091并联构成的末级功率放大电路,比方案三中THS3091
配合高频功率管构成的功放更加稳定,电路简单可靠,调试方便,这样大大节约了
设计时间,提高了效率,且容易达到设计的要求指标。
综上所述,我们选择方案四。
5.直流电源部分
线性稳压电源
线性稳压电源具有低成本,使用方便,稳压性能较好,输出纹波小等优点,由
于线性集成稳压电路输出电流不大,所以仅适用于小功率应用场合。
使用W317、
LM7805、LM7905分别设计±
18V和±
5V的直流稳压电源。
性集成稳压器W317具有
较高性能指标,电压调整率可达0.02%,电流调整率可达0.1%以上,纹波抑制比为
66dB。
开关型稳压电源
开关型稳压电源的优点是工作效率高,特别适合于大功率输出电路。
而电源电
路中开关晶体管带来额外的噪声,消除噪声干扰必须附加较多的电感、电容等元器
件,因而成本相对较高。
为了合理满足整个放大系统的供电需求,我们选择方案一。
二、理论分析与参数计算
1.带宽增益积
带宽增益积(GBP)是用来衡量放大器性能的一个参数。
这个参数表示增益和带
宽的乘积,且对于电压反馈型运放这一乘积是一常数。
题目要求放大器电压增益Av大于等于60dB,即Gain1000V/V.通频带0—10MHz。
所以本放大器的带宽增益积为
GBP=1000*10M=10G
单个放大器很难达到10G的带宽增益积,因此要考虑多级放大器级联。
并根据
各放大器的增益带宽积合理地配置其增益和带宽。
根据所用放大器元件,我们将系
统主要指标分配为:
(1)前级缓冲级:
增益为6dB,带宽大于30MHz;
(2)中间放大级:
增益为40dB,带宽为30MHz;
(3)末级放大级:
增益为18dB,带宽大于11.6MHz。
系统实现总增益多于60dB的放大,带宽大于10MHz。
2.通频带内增益起伏控制
由于各运放器件及滤波器的幅频特性不平坦等诸多因素,系统通频带内增益会
起伏。
题目要求在0—9MHz的通频带内,增益起伏小于1dB。
因各级增益是对数相
加的关系,可分别对各级进行增益起伏控制。
选择增益平坦度较小的运放,使用OPA620,其增益平坦度为
0.05dB
(2)中间级联放大级:
中间放大级增益最大,增益起伏主要来自于这一级。
使用两片AD603级联增益平坦度为0.2dB
65MHz带宽增益平坦度为0.1dB
(4)滤波器:
增益平坦度为0.1dB
总增益平坦度为0.45dB<
1dB
(5)另外,直流供电的稳定性也会对各级放大产生影响。
需要对直流电源输
入作电容电感的π型滤波,有效滤除低频波纹和高频分量。
3.线性相位
线性相位就是从系统的频率响应来看,要求其相频特性是一条经过原点的直
线,即ϕ(ω)=-ωt0,此时,信号传输不会产生相位失真。
对于传输系统相频特性另一
种描述方法是群延时τ,定义t=
-dϕ(ω)/
δω
。
本系统各放大模块采用的放大器,
从各芯片数据手册的相频特性曲线看,不是线性相位的。
椭圆滤波器通过滤波器软
件仿真,从相频特性曲线(图3-2)看也不是线性的。
线性相位可以通过一个全通
型相位补偿网络与滤波器级联来实现,不会降低滤波器的幅频特性,可将整个系统
的群延时波动减小。
4.抑制直流零点漂移
零点漂移是直流放大器直流工作点的渐进的慢变化。
产生零点漂移的因数很多,
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
要因数还是温度的影响。
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级零漂的抑制。
所以
要选择宽带的低噪声,低失真的高精度运放做为前级缓冲器,并作相应的补偿电路。
5.放大器稳定性
在放大器电路中为了提高运算精度,在电路中加入了负反馈回路,且负反馈越
深,闭环特性越好。
但在级联运放放大电路中,工作频率较高时,它所产生的附加
相移可能会使负反馈回路的开环增益下降到1而达到180°
,使原来处于负反馈的
回路的放大器转变为不可控的正反馈状态,产生自激振荡,破坏放大器的正常工作。
放大器不自激的条件是:
当Ad(jω)F(jω)>
1时∆ψ(jω)<
π或∆ψ(jω)=±
(2n+1)π时Ad(jω)F(jω)<
1
本设计的前置放大电路采取单级运放负反馈,保证了放大器在反馈条件下稳定运
行。
末级功放运用相位补偿技术,加入补偿电容调整末级功放的开环特性。
三、电路设计
1.输入缓冲级
前置缓冲级采用宽带高精度运放OPA620,它具有很低的输入噪声电流和电压,
分别为2.3pA/Hz½
和2.3nV/Hz½
其增益带宽积为200MHz,作前置缓冲级不需要高增
益的要求,只须保证小信号的充分放大,低噪声的供给下一级放大电路即可。
另外,
该电路必须加入调零电路,补偿静态时输入失调电压造成的输出偏移。
电路如图3-1所示:
图3-1
2.通频带选择电路
通过单片机一个IO口控制继电器,切换5M和10M通频带,电路如图3-2所示。
图3-2
3.椭圆滤波器
我们使用FilterSolutions分别设计了-3dB截止频率为5MHz和10MHz的九阶
无源椭圆滤波器。
并通过仿真软件对电容电感值做调整。
图3-2分别为5MHz和10MHz
的椭圆滤波器电路及其幅频特性曲线图。
图3-3
4.中间放大级
AD603有20mV的输出失调电压,该电压会被逐级放大,当增益较大时,放
大后的回波信号直流电位会大大偏离零点,导致输出波形信号顶部和底部出现严重
的非线性失真。
由于AD603本身没有设置调零控制端,所以只能在AD603输入端加
入直流偏移调零电路。
图3-4中AGC为单片机DAC控制增益信号接口。
图3-4
5.单片机控制、显示电路
本设计中采用适合于电路控制的单片机89C51作为主要控制模块,用其控制
AD0832实现AD603的增益数控,控制继电器实现不同通频带的切换,并通过LCD1602
显示放大器的通频带和增益。
图3-5-1
图3-5-2
6.后级功放电路
后级功率放大采用高电压低失真电流反馈型运放THS3091,其输入共模电压范围
为±
13.6V,输出电压范围为±
12.5V,输出电流达±
250mA。
为了能驱动50Ω负载需
并联三片THS3091,输出更高的电流。
电路如图3-4所示。
图3-6
7.直流电源供电电路
如图3-5所示,市电经变压器变压后经整流滤波送入三端稳压器,输出±
18V
和±
5V的直流电压,稳压芯片加了散热片以保证安全工作。
如图3-5,LED1和LED2
为电源指示灯,K1-K4为开关。
图3-7
8.程序设计
图3-8
四、调试过程与测试结果
1.AD603双片联机的稳定性问题
2.通频带内增益起伏的控制
3.抑制直流零点漂移
4、增益控制校准
5、测试结果
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