宽带放大器电路的仿真设计.docx
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宽带放大器电路的仿真设计
课程设计说明书
课程设计名称:
电子技术课程设计
题目:
宽带放大器电路的仿真设计
学院:
电气信息学院
学生姓名:
常晓丽
专业:
信息工程
学号:
31
指导教师:
陈海川
完成日期
2009年7月6日
摘要:
本设计利用可变增益宽带放大器AD603来提高增益和扩大AGC控制
范围,通过软件补偿减小增益调节的步进间隔和提高准确度。
输入部分采用高速电压反馈型运放OPA642作跟随器提高输入阻抗,并且在不影响性能的条件下给输入部分加了保护电路。
使用了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激。
功率输出部分采用分立元件制作。
整个系统通频带为1kHz~20MHz,最小增益0dB,最大增益80dB。
增益步进1dB,60dB以下预置增益与实际增益误差小于。
不失真输出电压有效值达,输出时AGC控制范围为66dB。
关键词:
可变增益宽带放大器,自动增益控制,反馈,抗干扰
Abstract:
Thisdesignemploysvariable-gainwidebandwidthAD603toenlargegain
andAGCcontrolranges.Programmingcompensationreducesgainstepandenhancesadjustingaccuracy.Theinputblock,whichhasaprotectivecircuitnotinfluencingtheperformance,employshigh-speedvoltagefeedbackamplifierOPA642asafollowertoincreasetheinputresistance.Usingmanykindsofanti-interferencemeasuresdiminishesnoiseandrestrainshighfrequencyself-excitation.Thepower-outputcircuitismadeupofseparateelements.Thewholesystempassbandis1KHz-2KHz,andthegainrangesfrom0-81dB.Thegainstepis1dB.Thebelow-60dB-gainerrorislessthandB.NodistortionoutputvoltageRMScanreachV.Whentheoutputisbetweenand,AGCrangeis66dB.
Keywords:
variable–gainwidebandwidth,AGC,feedback,anti-interference
1.前言
近年来随着计算机和互联网的迅速普及,多媒体信息的高速传输呈现飞速增长的趋势。
生产商和使用者都对现在的信号传输元件提出了越来越高的要求,作为接收设备中不可缺少的前置放大器受到了更多关注。
前置放大器作为光纤通信系统的重要部件,必须具备高速、带宽、低噪声等特点。
宽带放大器正是这为解决这一问题而受到广泛观注。
宽带放大器是工作频率上限与下限之比甚大于1的放大电路。
习惯上也常把相对频带宽度大于20%~30%的放大器列入此类。
这类电路主要用于对视频信号、脉冲信号或射频信号的放大。
用于电视图像信号放大的视频放大器是一种典型的基带型宽带放大器,所放大的信号的频率范围可以从几赫或几十赫的低频直到几兆赫或几十兆赫的高频。
这类放大器通常以电阻器为放大器的负载,以电容器作级间耦合。
为了扩展带宽,除了使其增益较低以外,通常还需要采用高频和低频补偿措施,以使放大器的增益-频率特性曲线的平坦部分向两端延展。
可以归入宽带放大器的还有用于时分多路通信、示波器、数字电路等方面的基带放大器或脉冲放大器(带宽从几赫到几十或几百兆赫),用于测量仪器的直流放大器(带宽从直流到几千赫或更高),以及音响设备中的高保真度音频放大器(带宽从几十赫到几十千赫)等。
用于射频信号放大的宽带放大器(大多属于带通型),如雷达或通信接收机中的中频放大器,其中心频率为几十兆赫或几百兆赫,通带宽度可达中心频率的百分之几十。
这个东西不能提高网速。
2.方案论证、比较与选择
总体方案:
方案一:
选用结电容小,fT高的晶体管,采用多种补偿法,多级放大加深度负反馈,以及组合各种组态的放大电路形式,可以组成优质的宽带放大器,而且成本较低。
但若要全部采用晶体管实现题目要求,有一定困难,首先高频晶体管配对困难,不易购买;其次,理论计算往往与实际电路有一定差距,工作点不容易调整;而且,晶体管参数易受环境影响,影响系统总体性能。
另外,晶体管电路增益调节较为复杂,不易实现题目要求的增益可调。
方案二:
使用专用的集成宽带放大器。
如TITHS6022、NE592等集成电路。
通过外接少数的元件就可以满足本题目要求,甚至远超过题目要求的带宽和增益的指标,但这种放大器难以购买,价格较贵,灵活性不够,不易满足题目扩展功能要求。
方案三:
市面上有多种型号、各具特色的宽频带集成运算放大器。
这些集成运算放大器有的通频带宽,有足够的增益,有的可以输出较高电压,使用方便,有的甚至可以实现增益可调及AGC的功能。
总体上硬件的实现和调试较为简单,所以,我们决定采用多个集成运放级连实现本题目。
如图一所示:
图一系统总体原理框图
前级放大电路
方案一:
采用共源共基差分式放大电路,该电路具有较高的输入阻抗,并且共基电路一方面可以扩展电路高频响应,同时又将共源电路负载电路隔离,使负载电阻产生的热噪声经过Cgd耦合到输入端,可以达到提高抗噪声性能。
但这种电路结构其抗噪声能力关键取决于所用器件,由于特性一致的晶体管和场效应管不容易购买,若采用一致性稍差的管子,其抗噪声性能会明显降低。
方案二:
使用宽带运算放大器,采用反相输入形式可以抑制共模信号降低噪声,其抗噪性能不一定优于方案一,但电路形式简单,易于调试,能够满足题目的输入阻抗的要求故选取该方案。
增益控制电路
方案一:
利用电阻网络和拨码开关,手动调节增益,可实现增益控制,但硬件规模较大,控制繁琐且人机界面欠佳,另外,利用电阻网络实现增益调节需使用不同阻值的高精度电阻,这种电阻价格昂贵且不易购买.
方案二:
可以用继电器或模拟开关构成电阻网络,由单片机控制以改变信号增益。
这种方案同样存在方案一电阻网络的缺点,同时,如果使用模拟开关,其导通电阻较大,而且各通道信号会互相干扰,容易影响系统性能。
方案三:
由单片机、D/A转换器和可编程增益放大器AD603构成压控放大器。
单片机通过对控制D/A输出直流电压来控制AD603的内部电阻衰减网络,实现增益调节。
但由于现阶段没有接触单片机,故不才用此方案。
方案四:
由可变分压电阻和可编程增益放大器AD603构成压控放大器。
可变分压电阻通过改变反馈电压来控制AD603的内部电阻衰减网络,实现增益调节。
此方案设计,调节范围大,易于控制,且与我们现阶段掌握的知识相符合,故选用此方案。
后级放大电路
方案一:
采用单片集成宽带运算放大器。
提供较高的输出电压,再扩流输出,以满足负载要求.但单纯用音频或射频放大的方法来完成,功率输出电压有限且输出难度较大,而用高电压输出的运放来做又很不现实,因为市面上很难买到宽带功率运放。
故不采用此方案。
方案二:
采用分立元件构成放,用晶体管单端推挽放大电路。
该电路广泛应用于示波器、显像管中。
通过多级深度负反馈和各种回路补偿扩展通频带。
为获得较低的通频带下限频率,可用直接耦合方式,此方法理论要求较低,现阶段比较好进行,故采用此方案。
系统控制电路
方案一:
采用经典的AGC控制电路如图二所示。
利用检波电路从输出端得到一与峰值电压相关的直流分量送入误差放大器,控制结型场效应管,使其工作在可变电阻区,从而改变放大器增益以实现自动增益控制功能。
此种电路形式较为成熟,但动态范围不是很大,且场效应管工作在可变电阻区时不易控制其压控电阻,调整有些困难。
如图二所示:
信号输入
图二
图二AGC控制电路框图
方案二:
使用AGC专用集成芯片,如AD8367,此类芯片外围电路简单,使用方便,可以很容易得到恒定输出电压。
但这类芯片输入动态范围不大,输出往往为一伏值较小的恒定值,故不采用此方案。
方案三:
利用可编程增益放大器AD603,通过单片机软件转换,可以将增益控制电路转换成自动增益控制电路。
即通过峰值检波将输出信号峰值对应的直流分量送入A/D,通过软件计算,利用D/A输出对应的直流信号控制增益调节放大器,使得输出电压稳定在一定的范围内,同时显示输出电压值。
该方案无需外加硬件电路,可完全通过单片机对增益控制电路进行简单改进实现。
但由于现阶段没有接触单片机,故不才用此方案。
如图三所示:
输入输出
图三单片机控制电路系统框图
方案四:
用改变分压电阻(如滑动变阻器、电阻箱)的方法对从输出端引入的电压进行控制,将得到的电压直接送入AD603。
这可省去A/D与D/A的转换,简化电路,适合现阶段的学习,故才用此方案。
如图四所示:
图四分压电阻控制电路框图
3.各单元模块功能介绍及电路设计
前级放大电路
根据带宽、增益调节范围(≥48dB)、输入阻抗、噪声等项要求,系统前端电压放大部分需设一级宽带跟随器OPA642和两级AD603程控增益电路.为了达到设计要求的最小增益0dB,最大增益80dB,再根据AD603的参数要求,需要采用两级AD603级联的形式,在级联应用中有两种增益控制联级方式,即顺序控制方式和并联控制方式,其选择取决于是要获得最高即时噪比还是优化增益误差波动。
顺序控制方式(优化S/N)两片AD603级联的顺序控制方式是将两片AD603的两个增益控制输入端(GPOS)以并联形式由一个正电压VC(GPOS对地的电压)驱动,面两级的负增益控制输入端(GNEG)分别加一个稳定的电压,使VG1和VG2之间满足2×的电位差时,则第一级的增益达到最大值时,第二级的增益才从最小值开始提高.在顺序控制方式中,ISNR在增益控制范围内维持可能的最高水平。
并联控制方式:
两片AD603级联的并联控制方式是将两级的正增益控制输入端(GPOS)以并联形式由一个正电压VC驱动,而两级的负增益控制输入端(GNEG)以并联形式接地或加一个稳定的电压,即VG1=VG2,于是两级的增益同步变化,并联控制方式在线性范围内的控制能力为80dB/V(40dB/V×2),即在较小的控制电压下便可获得较高的增益,其总增益是单片AD603的两倍。
但在并联方式工作时其增益误差是顺序控制方式的两倍,输出信噪比随着增益的提高而线性降低。
为了获得该设计要求的增益,综合考虑我们采用并联控制方式。
由于AD603的输入电阻只有100欧,要满足输入电阻大于千欧的要求,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,必须尽是减少噪声。
故采用高速低噪声电压反馈型运放OPA642作前级跟随器,同时在输入端加上二极管过压保护。
电路图如图六所示:
图六前级放大电路原理图
如图所示,输入部分先用电阻分压衰减,再由OPA642放大,整体上还是一个跟随器,二极管可以保护输入到OPA642的电压峰峰值不超过其极限(2V)。
其输入阻抗大于千欧。
OPA642的增益带宽积为400MHz,这里放大倍,100MHZ以上的信号被衰减。
级间耦合采用电解电容并联高频瓷片电容的方法,兼顾高频和低频信号。
增益控制部分装在屏蔽盒中,盒内采用多点接地和就近接地的方法避免自激,部分电容电阻采用贴片封装,使得输入级连线尽可能短。
该部分采用AD603典型接法中通频带最宽的一种,如图七所示,通频带为90MHz,增益为-10~+30dB,输入控制电压U的范围为-~+。
增益和控制电压的关系为:
AG(dB)=40×U+10一级的控制范围只有40dB,使用两级级联,增益为AG(dB)=40×U1+40×U2+20,增益范围为-20~+60dB,满足题目要求。
由于两级放大电路幅频响应曲线相同,所以当两级AD603串联后,带宽会有所下降,串联前各级带宽为90MHz左右,两级放大电路串联后总的3db带宽对应着单级放大电路带宽,根据幅频响应曲线可得出级联后的总带宽为60M。
末级功放部分
电路原理图如图八所示。
参考音频放大器中驱动级电路,考虑到负载电阻为600Ω,输出有效值大于6V,而AD603输出最大有效值在2V左右,故选用两级三极管进行直流耦合和发射结直流负反馈来构建末级功率放大,第一级进行电压放大,整个功放电路的电压增益在这一级,第二级进行电压合成和电流放大,将第一级输出的双端信号变成单端信号,同时提高带负载的能力,如果需要更大的驱动能力则需要在后级增加三极管跟随器,实际上加上跟随器后通频带急剧下降,原因是跟随器的结电容被等效放大,当输入信号频率很高时,输出级直流电流很大而输出信号很小。
使用2级放大已足以满足题目的要求。
选用NSC的2N3904和2N3906三极管(特征频率
=250~300MHz)可达到25MHz的带宽。
整个电路没有使用频率补偿,可对DC到20MHz的信号进行线性放大,在20MHz以下增益非常平稳,为稳定直流特性。
我们将反馈回路用电容串联接地,加大直流负反馈,但这会使低频响应变差,实际上这样做只是把通频带的低频下限频率从DC提高到1kHz,但电路的稳定性提高了很多。
本电路放大倍数为:
AG≈1+R10/R9。
整个功放电路电压放大约10倍。
图八末级功放原理图
稳压电源部分
电源部分输出
5V,
15V电压供给整个系统。
数字部分和模拟部分通过电感隔离。
电路原理如图九所示。
图九稳压电源原理图
控制部分
控制部分是由不同阻值的电阻以及电容构成,电阻起到调节电压的作用,电容起到漏波的作用,从而使电路更加稳定。
通过调节开关的不同档位,使得R1~R6分别与Rx串联,不同档位使Rx上分到不同的电压,并将Rx上分到的电压输入AD603的1号管脚(增益控制输入正端)中,实现对电压控制。
输出与输入的电压关系如下式:
Vi=Rx*Vo/(Rx+Ri)。
其原理图如下所示:
图十系统控制电压电路原理图
4.特殊器件介绍
OPA642介绍
OPA642为高速低噪声电压反馈型运放,具有频带宽、偏流小、失调电压低且失真度低等优点。
其管脚图如下所示:
OPA642管脚图
AD603的特点、内部结构和工作原理
AD603的特点:
AD603是美国AD公司继AD600后推出的宽频带、低噪声、低畸变、高增益精度的压控VGA芯片。
可用于RF/IF系统中的AGC电路、视频增益控制、A/D范围扩展和信号测量等系统中。
AD603引脚排列、功能及极限参数:
表1AD603引脚功能
脚号
符号
功能
1
GPOS
增益控制输入正端
2
GNEG
增益控制输入负端
3
VINP
运放输入
4
COMM
运放公共端
5
FDBK
反馈端
6
VNEG
负电源输入
7
VOUT
运放输出
8
VPOS
正电源输入
电源电压Vs:
±;
输入信号幅度VINP:
+2V;
增益控制端电压GNEG和GPOS:
±Vs;
功耗:
400mW;
工作温度范围;AD603A:
-40℃~85℃;AD603S:
-55℃~+125℃;
存储温度:
-65℃~150℃
AD603内部结构及原理:
AD603内部结构图如图1所示。
AD603由一个可通过外部反馈电路设置固定增益GF(~)的放大器、0~的宽带压控精密无源衰减器和40dB/V的线性增益控制电路构成。
AD603原理图
AD603利用了X-AMP由一个0~的可变衰减器及一个固定增益放大器构成。
其中,可变衰减器由一个七级R-2R梯形网络构成,每级的衰减量为,可对输入信号提供0~的衰减。
X-AMP结构的一个重要优点是优越的噪声特性,在1MHz宽带,最大不失真输出为1Vrms时,输出x信噪比为。
连续控制下的输入增益控制计算
7.总结与体会
从指标来看我们各方面的指标基本都达到了设计的要求。
本设计偏重于模拟电路处理,得到了很高的增益和较小的噪声。
采用多种抗干扰措施来处理前级放大,选用集成芯片AD603作增益控制,利用分立元件作后级功率放大,放弃了较难买到的宽带功率运放,因而设计很灵活也很容易实现。
但于由目前我们尚未学习单片机的有关知识,所以我们不能采用单片机对电路进行较精密的控制,只能取而代之用一个滑动变阻器连接输入与输出,从而对电压进行控制。
但仍需进一步改进。
比如进一步提高控制精度。
由于目前我们尚未学习单片机的相关知识,所以现阶段我们采用手动增益控制,即利用滑动变阻器实现。
利用单片机控制,可以进一步提高控制的精度,从而提高整个电路的可靠性。
这是我们以后改进的放向。
通过这次的课程设计,我最大的收获就是自己做出来一个东西,结果如何不重要,因为这完全是通过自己制作的,并且本课题涉及的大部分内容是我以前所没有接触过的。
但无论是软件还是硬件,仍有许多需要改进和完善的地方,也有许多可以扩展的地方。
这次课程设计给我的感受很深刻,总结起来有以下几个方面:
以前的学习多重于理论方面,而且知识面不够宽,通过这次课程设计,使我第一次系统全面的回顾了大学前两年所有的课程:
模拟电路、数字电路等等 ,从中我还体会到了所学理论知识的重要性,知识掌握得越多越扎实,设计得就更全面、更顺利、更好。
还学会了怎样查阅资料和利用工具书。
由于一个人不可能什么都学过,什么都懂,更加不可能一学就通,因此,当你在设计过程中需要用一些不曾学过的东西时,就要去有针对性地查找资料,还有就是请教老师和同学,在这个过程中感受到了从未有过的乐趣,而且初步了解了PROTEL这个软件的使用。
经过这次系统的课程设计,我大致地了解了对一课题进行系统研究、设计及制作的全过程。
这些认识对我在将来的工作和学习当中都会有很大的帮助。
在往后加以吸收利用,以提高自己的应用能力,而且还能增长自己见识补充最新的知识。
课程设计培养了我严肃认真和实事求是的科学态度。
而且培养了吃苦耐劳的精神以及严谨的作风,提高了交流沟通和团体协作能力。
这些对我以后的工作都非常有帮助的。
8.谢辞
从刚开始时的一头雾水到现在的条分缕析,我学到了很多,也得到了很多人的帮助。
在这里我首先要感谢一直以来给我们莫大帮助的课程设计指导:
陈海川老师,他悉心的教导使我们对课程设计的方式和内容有了较为深入的理解,也使我对一些软件有了充分的认识并能够独立进行设计与仿真,他丰富的理论知识和娴熟的工程实践能力让大家都很佩服,是我们学习的榜样。
除此之外,还要感谢我们整个小组的成员,大家共同的努力才使这项课程设计按时圆满完成。
9.参考文献
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[8]全国大学生电子设计竞赛组委会《全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编》
[M],北京理工大学出版社
[9]胡烨,陈明,姚鹏翼《Protel99SE原理图与PCB设计教程》[M],机械工业
出版社,2005-3
附录一系统四部分原理图
附录二前置放大电路PCB图
附录三末级功放PCB图
附录四控制电压电路PCB图
附录五系统电源电路PCB图
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