低噪声高增益放大器q.docx

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低噪声高增益放大器q

低频低噪声高增益放大器

摘要

低频低噪声高增益放大器常作为各类接收机的前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路，决定了系统处理模拟信号的能力，具有广泛的工程应用背景。

可控

本设计由信号源、可控增益放大器、单片机控制模块和稳压电源四个部分构成。

信号

源利用RC桥式正弦波振荡器产生了稳定的正弦信号，信号频率范围为1kHz~10kHz；

51

增益放大器实现了输出增益的动态调整，并在前级精密放大部分中以超低噪声运算放大器AD797为核心器件，配合外围器件最大限度的降低了电路中的噪声；稳压电源利用集成三端稳压器，采取多级稳压的方法，抑制了由电源引入电路的噪声，使整个电路的噪声降到最低，并创新地利用基准进行稳压，进一步提高了系统的噪声性能；在增益控制方面将单片机与数字电位器X9C104结合，完成了较为精确的增益步进改变，并显示放大倍数，

实现键盘控制。

系统考虑了电路各部分引入的噪声，性能指标达到了设计要求，工作可靠。

关键词

放大器低噪声放大器可变增益放大器

多级稳压数字电位器51单片机

i/25

ii/25

ABSTRACT

Lownoiseamplifieroftenactsasthepreamplifierofvariousreceivers,andhighsensitivityelectronicdetectionequipment,itdeterminesthesignalprocessingabilityofaamplifysystem,hasawidelyengineeringbackgroundapplication.

Thisdesignconsistsofasource,acontrollablegainamplifier,asingle-chipmicrocomputercontrolmoduleandamanostat.UsingtheRCbridgetypesignal,wegeneratedasteadysinusoidalsignal,whosefrequencyrangesfrom10kHzto1kHz。

Controllablegainamplifierachievedthedynamicgainadjustment,usingtheultra-lownoiseamplifierAD797,withthehelpofperipheralequipments,greatlyreducesthenoiseinthecircuitoUsingtheintegratedmanostatregulator,takingmulti-levelvoltageregulation,inhibitsthenoisefromthepowercircuitsothatthenoiseisminimized,andcreativelyusethevoltagerefereneeasaregulator,forfurtherimprovingthenoiseperformanceofthissystem。

Astogaincontrolunit,wecombinethe51MCUwiththedigitalpotentiometerX9C104,completedaccuratelysteppergain,displaythemagnification,andkeyboardcontrol.Thisdesignconsideredthenoisefromeverypartinthecircuit,itsperformanceindexesmeetsthedesignrequirementandreliable.

KEYWORDS

Amplifierlownoiseamplifiervariablegainamplifier

Multistagevoltagedigitalpotentiometer51microcomputer

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第1章任务目标剖析1

第2章方案论证与比较1

2.1主放大器模块1

22稳压电源3

2.3控制模块4

2.4系统方案确定5

第3章理论分析与参数计算6

3.1原理分析6

3.2电路参数计算8

第4章系统功能与性能测试12

4.1测试条件12

4.2信号源12

4.3稳压电路13

4.4主放大器14

4.5控制模块15

4.6整机联调16

第5章结论分析与技术展望16

5.1系统性能分析16

5.2技术展望17

参考文献17

附录18

附1电路原理图18

附2:

元器件明细表19

附4:

程序清单19

插图目录

图2-1普通放大型2

图2-2滤波放大型2

图2-3变压器调谐耦合放大型3

图2-4系统整体框图6

图3-1变压器匹配噪声电路7

图3-2X9C104控制方式8

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表格目录

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第1章任务目标剖析

=输出噪

题目要求设计并制作一个低频低噪声高增益放大器，其关键在于对电路中噪声的抑制及放大倍数的调节。

电路中的噪声主要包括电阻等元器件的噪声、集成电路的噪声及电源噪声等，因此，在设计低噪声放大器时需要从以下几个方面考虑噪声因素：

信号输入级电路、后级放大电路形式、核心器件的选择、系统供电模块设计以及工装设计等方面，其中需要特别注意的是对输入级电路的选择和系统供电模块的降噪。

题目的要求是保证输出噪声电压峰峰值的等效输入噪声达到200nV，其关系满足：

等效输入噪声X闭环增益

声，当有信号输入或者没有信号输入时，分别分析噪声对放大器功能的影响，可知在电路中噪声的影响都可以统一为等效输入噪声的影响，另外由此也可知该放大器能够放大的最小信号的幅度。

在改变增益的方法上，要进行深入的对比，其原则是控制精确，引入噪声小且易于控制。

控制模块的核心器件应遵循简单可靠的原则，即能实现题目中的设计要求，同时要尽量发挥该硬件的各种功能，使其物尽其用。

另外，电路中滤波器的设计也要体现出低噪声的要求，由相关知识可知，器件的噪声一般与频率呈积分关系，所以要限制滤波器的带宽，在满足题目要求的基础上尽量降低噪声。

第2章方案论证与比较

2.1主放大器模块

主放大器模块实现对采集到的信号进行滤波和放大，需要满足的要求是引入的噪声小，增益可控。

下面讨论几种可以实现的方案，并进行比较，得出最佳方案。

2.1.1普通放大型

方案的框图如图2-1所示:

1/25

图21普通放大型

信号先被第一级放大器放大，送到第二级，在第二级实现增益控制系统改变增益，其后添加一级带通滤波器来滤除干扰，满足通频带的要求。

该方案的特点是：

结构简单，电路通用，成本较低，但是噪声大，无法实现发挥部分的低噪声的要求。

2.1.2滤波放大型

方案的框图如图2-2所示:

图22滤波放大型

这种方案是在每级放大器后面添加滤波器，信号每一次被放大后，都通过滤波器滤除各种通带外干扰，这样也可防止产生自激，提高系统工作可靠性和抗干扰能力。

与第一种方案相比，这种方案多了一级带通滤波器。

该方案的性能稳定，但调试起来较麻烦，并且噪声性能不是很好。

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2.1.3变压器调谐耦合放大型

方案的框图如图2-3所示:

图23变压器调谐耦合放大型

该方案和前两种方案相比，其主要的特点是增加一级输入调谐耦合网络，用来降低噪声和实现阻抗匹配，该方案再具有第二种方案优点的同时，其降噪性能会更好。

经比较，方案三既能满足题设的要求，电路又不繁琐，故采用该方案。

2.2稳压电源

馈电设计是电子系统的一个重要部分，对整个电子系统起着至关重要的作用。

由于电源

的干扰是电子系统的一个重要来源，尤其是交流供电系统，因此在高精度的模拟预处理机

中，如何抑制电源的干扰就成为减少整个预处理机噪声的重要环节。

直流稳定电源一般分为化学电源、线性稳定电源和开关型稳定电源，下面对各自特性进

行对比，以确定适合本系统的供电方案。

2.2.1化学电源

化学电源又称电池，是一种能将化学能直接转变成电能的装置，它通过化学反应，消耗

某种化学物质，输出电能。

在考虑使用电池为系统供电时，必须注意的因素有工作电压范

围、最大电流消耗、工作频率等，常用电池的标称电压一般在1.5V~3.7V之间，工作电压在

1.00V~3.00V之间，终止电压在0.8V~1.75V之间，因此，如果使用电池供电，就会遇到一种很难处理的中间状态，即电池即将耗尽时工作电压缓慢改变，将会使电路中各器件处于一种无法预测的状态。

同时，当系统的最大电流消耗大于10mA数量级时，不宜采用普通电池，

便需要一些高效能电池，这时价格因素也会有所影响。

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222线性稳定电源

线性电源是先将交流电经过变压器降低电压幅值，再经过整流电路整流后，得到脉冲直流电，后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电压。

线性稳定电源共同的特点是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出。

由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的散热器给它散热，而且由于变压器工作在工频<50Hz>上，所以重量较大。

该类电源优点是稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路，输出连续可调的成品。

缺点是体积大、较笨重、效率相对较低。

要达到高精度的直流电压，还必须经过后级稳压电路进行稳压。

2.2.3开关型稳定电源

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出

电压的一种电源，其调整管工作在饱和和截至状态，因而发热量小，效率高<75%以上）而

且省掉了大体积的变压器。

开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠；缺点相对于线性电源来说是纹波较大，另外，开关电源中用到的高频变压器可能绕制起来比较麻烦。

综上各种稳定电源，在充分考虑电路噪声要求的前提下，通过比较，本方案选择线性稳压电源为系统供电。

2.3控制模块

控制模块的主要作用是改变整个放大模块中可变增益放大级的放大倍数，即就是将中间放大级做成一个可变增益放大器，而可变增益放大器的增益改变方式主要有手动和程控两大类，各有其优点和局限性，下面进行比较。

2.3.1手动调节增益

手动调节的方式简单方便，可以实现了放大倍数的连续可调，但其缺点是无法得到精确的放大倍数值，不能实现本题的要求，且与用户的交互程度不够。

4/25

232程控增益

（1）程控改变运放的反馈电阻或输入电阻

利用微处理器＜单片机）的编程能力，可以程控改变放大倍数，从而得到所谓的程控增益放大器。

错误!

用非易失性数控电位器改变电阻

非易失性数控电位器克服了模拟电位器的主要缺点，具有噪声低，寿命长，阻值可程控

改变，设定阻值掉电记忆等特点。

利用单片机控制数控电位器的控制端口，根据选取器件的不同，可以实现1~100、1~256、1~10000等不同的放大倍数，利用数控电位器做成的程控增益放大器的特点是增益范围宽，占用单片机I/O口少，成本低。

错误!

用DAC改变电阻

电流输出型DAC内含R—2R电阻网络，可以作为运放的反馈电阻或者输入电阻，在

DAC输入数据的控制下，实现放大器增益的程控改变。

错误!

用集成多路模拟开关改变电阻

用不同阻值的固定电阻，通过集成多路模拟开关将其分别接入运放的输入回路，依次来

达到改变输入电阻的目的，从而实现对信号的放大或衰减，即改变增益。

（2）单片集成程控增益放大器

使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器，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＜根据竞赛规则这类器件最好不予考虑）。

通过上述各种控制放大器增益的方案的讨论和对比，最终我们选择了使用数控电位器来

实现可变增益放大器的控制功能，主要考虑是其低噪和低成本的优点符合题目中的要求，而且电路也不繁琐，控制也较为简单。

2.4系统方案确定

根据题目的要求，我们认真取舍，充分考虑和利用了模拟和数字系统各自的优点，发挥其优势而且又做到物尽其用，采用单片机配合数控电位器控制放大器增益的方法，大大提高了系统的精度，并且也做到了对低噪声的要求；合理分配多级放大中各级放大倍数、以及对各元器件的规格的选择，最大可能的降低了系统的噪声，以使信号的放大质量最佳；另外，配合各级对低噪声的要求，我们在稳压电源供电方面也考虑到了对电力线所引入的噪声的滤

5/25

波，采用了EMI设计，从而对低噪声的实现更进一步。

下图是本系统的原理方框图:

图2-4系统整体框图

第3章理论分析与参数计算

3.1原理分析

3.1.1放大部分基本原理

由于噪声在电路内部是固有的，因此不能采用屏蔽的方法予以消除，但是我们可以通过分析这些噪声的特性及其在电路中的规律，从电路设计、元件选取上控制噪声，降低噪声，消除噪声的影响。

在设计低噪声放大器时有以下几个要求：

<1）.根据噪声要求设计输入级<包括输入耦合网络）。

主要根据噪声要求、频率范围以及源阻抗等指标确定输入级。

<2）.根据非噪声特性的其它指标，确定后级电路的设计。

这主要考虑总增益、频率响应、动态范围、稳定性等指标来设计后级，主要包括增益分配，电路形式、反馈形式的选择等。

<3）.器件的选择，包括放大器件、外围器件的选取和匹配。

由于不同的器件有不同的噪声特性，在低噪声电路中尽量选择噪声性能好的器件。

在实际放大电路中要获得高增益往往需要几级放大器级联取得，在本设计方案中为了实现发挥部分的要求，我们决定把放大器的放大倍数取为100—10000倍，步进值为100倍。

所以把增益分配为，第一级31倍，第二级1—100倍可调，跟随器输出3.23倍。

由噪声理论方面的知识可知，对于一级放大器来说通过En—In模型可以得到他的最低

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噪声系数:

111]1

Rs就是最佳源电阻（Rs>opt。

噪声系数可用分贝来表示为NF=10logF。

可见，如果放大器没有噪声，则F=1,

NF=OdB。

实际中总是NF>0dB，低噪声设计的目的就是使NF值尽可能的小。

但是我们实际运用的的是多级放大器级联的，由弗里斯公式可得级联放大器的噪声系

数：

NF;-1-1

NF=1+（NF1-1）+——+——4-…

Nl'NFNl"K|

式中I、一、I等为各级放大器的噪声系数；•等为各级放大器的功率增益。

从上式可以看出，如果第一级的功率增益足够大，那么第二级及以后各项可以忽

略，于是总的噪声系数F仅由第一级的噪声系数F1决定，因而在这种情况下，影响级联放

大器噪声性能主要是第一级。

所以在设计中应尽量提高第一级的功率增益。

在有耦合网络的

放大器中，如果认为耦合网络为第一级的话，由于其功率增益小于1,那么第二级也成为噪

声的主要贡献者，F1、F2就决定整了个F的大小。

因此，对于前级带有耦合网络的级联放大器来说，在减小耦合网络噪声的同时，减小噪声系数的又一关键在于该级放大器的增益高，噪声低。

由上面的分析可知低噪声放大器取得低噪声的关键就是尽量降低输入级的噪声。

因此我们在输入级采用变压器耦合网络，右图为变压器匹配噪声电

!

，2°2

路。

假设变比为n，则有''■'即''：

：

，

其中Rs和Xs为信号源阻抗的实部和虚部，.和^「为最佳信号源阻抗的实部

和虚部。

滤波器部分我们采用高通加低通的办法来实现带通滤波功能，因为要有实现信号放大后的精确度，所以采用通带内幅频曲线平坦的巴特沃斯型滤波器。

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3.1.2控制原理

本系统的控制由单片机元成，由于任一输入信号在前级放大级、滤波输入级都有放大的

基础上，再经可变增益级的放大才得到最终的放大倍数，根据数控电位器的特点，我们选取

X9C104作为控制用。

X9C104具有100个抽头，土5V供电，100K总电阻，其阻值从1K至U100K变化，在上下限处具有保持性，是一个非易失性数字电位器。

其引脚中的INC,U/D

和CS系三线控制方式，通过CS、INC、U/D控制，CS是低有效片选，INC是下降沿有效的步进脉冲，U/D的高/低电平控制方向，如图3-2所示：

图32X9C104控制万式图3-3X9C104管脚

根据简单可靠的原则，在电路上电初始化时，由于不知道上次工作的放大倍数是多少，

因此首先通过数控电位器复位将其阻值设置为最小＜即系统为最小放大状态），然后采用键

盘输入得到数控电位器的控制信号，实现对放大倍数的步进＜递增或递减）调节。

3.2电路参数计算

3.2.1信号源

如下图所示电路，由RC串并联选频网络和同相比例运算电路构成了RC桥式正弦波振

荡器产生正弦信号，用同轴电位器＜图中R3和R4）实现振荡频率可调。

电位器R8可实现幅

值的调节，最后再经过跟随器输出，就能产生频率和幅度连续变化的正弦信号了。

根据本题的要求只需产生频率1kHz—10kHz的信号即可，易知RC桥式正弦波振荡器产生的信号频率为：

1

该公式是在R1=R2,C1=C2,R3=R4时成立。

取电容为0.1卩F,则可以算得R1=200Q,

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电位器取值为R3=0~2kQo

图34信号源仿真示意图

3.2.2稳压电源

本方案采用桥式全波整流、大电容滤波、二级稳压的方法获得稳定的、纹波小的工作电

压。

首先利用三端可调稳压器LM317和LM337将整流后的电压稳定为18.75V,采用

LM317和LM337的典型接法，其输出电压V°=1.25<1+R2/R1）,因此Ri=220Q,R2=3.3k

Qo其后是二次稳压，将集成三端稳压器78XX和79XX接成固定输出稳压器，输出土15V

的电压。

其中滤波电容值计算如下，在工程上常用一个粗略计算公式，即令RC时间常数近似等

于3~5倍电源半周期，在本稳压源中，计算如下：

2RC>（3^5）T[naJ（

-c>—为等效负载电阻1

4x10ms

AC~24V^1A^1667tlFj实际中取£二22°°吓即可

在实际情况下，我们买到的任何厂家生产地器件都可以等效成一个电阻、电感、电容的

串并联电路，这样一来，它也就有了自谐振，因此只有在这个自谐振频率上，等效电阻最

小，所以滤波最好。

一般情况下，前一级和后一级的电容值相差100倍，而且注意滤波电容

宁大勿小。

1kQ大功

考虑到制作过程中电源空载时电容的放电，可在桥式整流后的输出电容上并上

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率电阻，另外这组直流还要送给7815和7915来获得土15V，万一输入端短路，大电容放电

会使稳压块由于反电流冲击而损坏，加两个二级管可使反向电流流向输入端起保护作用。

经过初级稳压后，将电压送至三端可调分流基准源TL431，它具有高精度、低漂移、低

噪声、稳压范围宽、性价比高等优点，其电压调整率Sr和输出电压温度系数St满足题目要

求，因此使用TL431对输出电压实现高精度稳压。

TL431的典型接线方法如下图所示：

图35TL431典型接法

将经过7815和7915一次稳压后的电压送至Uin，经TL431精密稳定至土10V，R2=3k

Q,R3=1kQ。

3.2.3低噪声放大器

本方案的放大部分分为输入耦合网络、第一级放大、第二级放大、带通滤波器、跟随器等部分。

由原理分析可知，要得到良好的低噪声性能，降低第一级放大引入的噪声是关键，为此要尽量减小第一级放大器的外围电阻，在这里我们取R1=10Q,R2=300Q以实现第一级

的31倍增益。

第二级放大要有1~100的增益变化范围，我们选取的数字电位器R4的调节步

进为1kQ,变化范围为1~100kQ,所以取R3=1kQ。

3.2.4控制模块

（1）本系统的控制

系统利用数字电位器控制第二级的放大倍数，实现增益可变，可变范围为1~100,因

此，数字电位器选择X9C104，它的最大阻值为10X104=100,000Q=100kQ，单片机每发送

一次脉冲，数字电位器根据正负选择端的电平判断增大阻值或减少阻值，改变第二级的反馈电阻。

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<2）软件流程图为:

11/25

第4章系统功能与性能测试

4.1测试条件

在对系统进行测试时，按照各模块测试和整机性能测试两个步骤，下面分别详述。

测试环境：

常温常湿常压，测试仪器见表所示。

表41测试仪器

序号

名称

型号、规格

生产丿家

序号

名称

型号、规格

生产丿家

1

数字示波器

TDS3012

TEK

5

数字万用表

DT840D

胜利仪器

2

模拟示波器

DF4211

中策电子

6

函数发生器

DF1647

胜利仪器

3

数字万用表

HP34401

惠普仪器

7

直流稳压电源

DF1731

中策电子

4

数字万用表

DT930F

胜利仪器

8

接地屏蔽盒

460X400X40

自制:

4.2信号源

4.2.1测试方法

检查电路连接是否正常，将变阻器调整至较大值，接通电源，将信号源输出端接至示波器一个输入端，观察示波器显示信号的幅度和频率，以及波形是否有失真。

4.2.2测试数据

表42信号源测试数据

测试量

组别

频率

幅度

是否有失真

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

测试量

组别

频率

幅度

是否有失真

8

8

9

9

10

10

1kHz~10kHz的

由以上测试数据可以看出，信号源能够输出幅度稳定、频率可调范围为

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正弦信号。

4.3稳压电路

431测试方法

检查电路连接，由于本部分要接至220V/50HZ工频电，因此须特别注意安全。

测试本部

分时，依次按照变压器输出、整流输出、一级稳压输出和二级稳压输出的顺序测试。

测试过程中，当测试前一级时要将其与后级的连接断开，分别用万用表的交流电压档和直流电压档测试电路中各点的电压值。

只有当前一级测试完毕后再连接后一级进行测试，以此类推。

4.3.2测试数据

组别

测试量

1

2

3

变压器输出＜交流，V）

整流输出＜V

一级稳压输出＜V）

二级稳压输出＜V）

4.4主放大器

4.4.1测试方法

检查电路连接，检查函数信号发生器输出是否正常，确保以上正常后，在接数控电位器的位置接入100kQ电位器，然后给主放大器部分上电，待稳定一小段时间后，用逐级测试的方法