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11宽带放大器制作全攻略
宽带放大器
第37组曾攀谢桂辉赵碧杉
2008.11.23-2008.11.30
摘要:
本系统以单片机(AT89S52)和FPGA(EP1C6Q240C8)为控制核心,实现了宽带放大器。
以可编程增益放大器THS7001和可变增益放大器AD603为核心,通过FPGA控制及D/A转换给予不同的控制电压来达到增益步进6dB,总增益范围为-6dB~64dB。
前级输入采用高速宽带运放THS4011构成同相放大器,可以有效地抑制噪声并提高输入阻抗。
后级采用宽带运放AD811进一步提高增益,可以使最大输出电压有效值达到6.92V。
使用二极管峰值检波的方式测量系统输出电压有效值,通过12位模数转换器MAX1270对峰值采样,经单片机处理并改变增益控制参量实现自动增益控制(AGC)功能。
本系统采用矩阵键盘设置增益值及步进,用大屏幕点阵式液晶显示器显示实时电压有效值,人机界面友好,操作简单方便。
关键字:
PGAVGAAGC宽带放大
一、方案论证与选择
1、题目任务要求及相关指标分析
题目要求制作一个宽带放大器。
(1)输入阻抗≥1kΩ;放大器负载电阻600欧,最大输出电压有效值≥6V,并能数字显示输出正弦电压有效值。
(2)最大增益≥58dB(3dB通频带10kHz~6MHz,在20kHz~5MHz频带内增益起伏≤1dB),增益调节范围10dB~58dB(增益值9级可调,步进间隔6dB,增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB),需显示预置增益值。
(3)增加自动增益控制(AGC)功能,AGC范围≥20dB,在AGC稳定范围内输出电压有效值应稳定在4.5V≤Vo≤5.5V内。
(4)输出噪声电压峰-峰值VoN≤0.5V。
(5)自制放大器所需的稳压电源。
此题目的重点和难点是以带宽、增益、抗干扰等指标的综合实现。
2、方案的比较与选择
(1)可控增益放大器方案选择
方案一:
采用普通宽带运算放大器组成的放大电路,同时由分立元件构成的AGC控制电路,通过包络检波再反馈回放大器的方法来控制放大倍数。
原理框图如图1所示,场效应管工作在可变电阻区,输出信号取自电阻与场效应管与对V’的分压。
采用场效应管作AGC控制可以达到很高的频率和很低的噪声,但温度、电源等的漂移将会引起分压比的变化,用这种方案很难实现增益的精确控制和长时间稳定。
图1场效应管作AGC框图
方案二:
采用可编程放大器的思想,将输入交流信号作为高速D/A的基准电压,这时的D/A作为程控衰减器。
理论上讲,主要D/A速度够快、精度够高可以实现很宽范围的精密增益调节。
当这样的D/A难以获得。
而且最后的数字量和最后的增益(dB)不成线形关系而是指数关系,造成增益调节不均匀,精度下降。
方案三:
使用控制电压与增益成线形关系的可编程放大器PGA,用控制电压和增益成线形关系的可变增益放大器来实现增益控制。
用电压控制增益,便于单片机的控制。
用两级AD603级联可以实现,但两级AD603级间信号很难耦合,容易产生高频自激,对电路抗干扰等方面有较高的要求,故我们没采用此方案。
方案四:
采用可控增益放大器THS7001和AD603级联实现。
THS7001是TI公司的一款程控放大器芯片,动态范围为-22dB~20dB,-3dB带宽为70MHz,步进6dB。
AD603为-10dB~30dB连续可调,我们用THS7001做增益的粗调,用AD603做细调,从而实现了较高的动态范围和增益的准确性。
相比与两个AD603的级联,此方案不容易产生自激,调试起来简单,且容易实现更高的动态范围。
综上所述,我们选用方案四。
(2)有效值测量的方案选择
方案一:
利用高速ADC对电压进行对电压采样,将一周期的数据输入单片机进行计算其均方根值,即可以得出电压有效值:
此方案具有抗干扰能力强、设计灵活、精度高等优点,但调试困难,高频时采样困难而且计算量大,增加了软件难度。
方案二:
采用集成电路AD637作有效值运算,它测量有效值的范围为0-7V,精度优于0.5%,且外围元件少,频带宽,对于一个有效值为1V的信号,它的3dB带宽为8MHz,并且可对输入信号的电平以dB形式表示。
该方案精度高,直接输出有效值,但电路稍复杂,且不适合更高频信号。
方案三:
采用检波二极管构成的峰值检测电路,然后用A/D转换器对其检测结果进行读数。
峰值检测的原理是当输入电压正半周通过时,检波管导通,对电容C充电,适当选择电容值,使得电容放电速度大于充电速度,这样,电容两端的电压可以保持在最大电压处,该电压通过一个用运放构成的射随器(高阻隔离)输出电压峰值。
采用这种电路优点是频带响应宽,且电路简单。
检波二极管存在一定的导通压降,但这完全可以通过软件和硬件的方法补偿。
同时电容值的选取要适中,如选取太大,放电时间过长,会改善输出电压发纹波,但是会导致该电路响应速度慢;如果电容选的太小,放电时间过短,能改善电路的响应时间,但也会导致低频时输出电压纹波较大。
这种方案电路简单,精度也较高。
综上所述,我们采用方案三。
(3)自动增益控制(AGC)的方案选择
方案一:
采用场效应管和宽带运放制作,信号进入自动增益控制电路后,放大电路输出的交流电压经二极管和RC电路构成的包络检波器后,输出一个随平均电压变化的电压,用此电压控制工作于可变电阻区的场效应管的栅极,改变场效应管的导通电阻,使放大倍数受输入信号大小控制。
当输入信号强时自动减小放大倍数,信号弱时自动增大放大倍数,从而实现了输出幅度的自动调整。
特点在于电路简单,但频带范围较窄、精度低、输出波形也不理想。
方案二:
采用可变增益放大器AD603作为放大部分,同时用由高频小功率管2N3906、2N3904构成的包络检波、反馈电路来控制放大倍数,达到自动调整增益的目的。
精度高,波形好,但电路较复杂,增加了硬件难度,且不够智能化。
方案三:
将输出电压反馈到在可控增益部分,构成数控AGC。
AGC电路实际上是一个根据输出电压的动态的调整放大倍数,从而使输出稳定在预定范围的反馈型电路。
根据该特点可以先将输出结果进行峰值检波,引入CPU、A/D和D/A转换器通过程序对放大倍数进行控制,即数字式AGC。
此种AGC电路的输出范围完全由人为设定,可以很容易满足题目要求,通过对输出的电压值进行不间断的采样,采用12位D/A转换器,使得AGC电路输出的精确度和稳定度都较高。
综上所述,我们采用方案三。
(4)后级固定增益方案选择
由于AD603的最大输出电压较小,不能满足题目要求,所以前级放大信号需经过后级放大达到更高的输出有效值。
方案一:
使用分立元件自行搭建后级放大器。
使用分立元件设计困难,调试繁琐。
方案二:
使用集成电路芯片。
使用集成电路芯片电路简单、使用方便、性能稳定、有详细的文档说明。
我们选用电流反馈型宽带放大器AD811,可以输出题目要求6V以上有效值电压。
2、系统总体设计方案及实现方框图
本系统主要由三个模块电路组成:
可控增益放大器、后级放大与检波以及单片机显示和控制模块组成。
其中可变增益放大器以THS7001和AD603作为核心,单片机控制THS7001增益粗调,并通过12位串口DAC芯片TLV5618给予不同的电压控制AD603的增益细调,实现总增益从-6dB到64dB宽频带范围内增益(dB)的线性变化。
通过良好的屏蔽和滤波措施使控制电压稳定度高,获得良好的波形。
前置放大采用由宽带电压反馈型运放THS4011构成的同相放大器,可以有效的提高输入电阻。
后级放大采用电流型反馈运放AD811,可以使输出电压有效值达到6.92V。
由二极管峰值检波电路测量峰值,并由8通道12位串口高速A/D转换器MAX1270对检测值采样,通过FPGA内的接口将样值送予单片机处理,处理之后的结果再通过FPGA送予12位D/A转换器TLV5618,达到自动增益控制的目的。
AT89S52和Cyclone系列FPGAEP1C6Q240C8构成的单片机小系统板可以通过键盘,人为预置增益值来获取相应的放大倍数,同时实时显示预置增益值、输出有效值。
图2系统框图
3、理论分析与计算
1、集成运放的类型和结构分析
由于本系统是设计和制作宽带放大器。
因此有必要探讨和分析基本放大器的类型和结构,以便在合适的地方放置最佳类型的放大器,或者模仿其结构用分离器件(三极管)制作出同样功能且满足特定要求的放大器。
根据放大器的结构的不同,运算放大器分为电流型反馈(CFB)和电压型反馈型(VFB)运算放大器。
尽管在大多数典型应用中,两者的差别不大,但它们还是具有与本身结构有关的一些特点。
图3典型VFB放大器结构图4典型CFB放大器结构
VFB放大器的输入级通常是一个简单的差分对,对同样的双级晶体管处于相同的偏置电压和电流,由于两个输入端对称,这种结构通常叫平衡电路。
由于这种结构是对称的,如果这两个晶体管匹配,将不会产生失调电压。
当电源电压后共模输入电压方式变化时候,器件的工作点发生变化,这会影响失调电压。
但由于VFB这种平衡结构,对两个晶体管来说,其CE之间的电压变化是相同的,使偏置电流的变化能够相互抵消,所以对失调电压的影响很小,因而它具有很CMRR(共模抑制比)和PSRR(高电源电压反射比)。
CFB放大器是一个单级放大器结构。
电路中唯一的高阻点是输入至输出的缓冲器。
CFB放大器的输入级是一个电压缓冲器。
为了使失调电压为0,NPN晶体管的VEE必须与PNP晶体管的VEE相匹配。
由于这些器件是分别制作的,因此,一般没有要求它们是良好的匹配的。
CFB放大器的偏置也基本带来不匹配。
为了提供足够的开环增益。
需要增加放大级数,但同时会带来延迟时间,从而减少了放大器的带宽。
通过对两者结构的分析可知,VFB放大器具有同相和反向输入端阻抗基本相同(均为高阻),噪声更低,更好的直流特性,增益带宽积为常数,反馈电阻的取值较为自由等特点;而CFB放大器则具有同相输入端为高阻,反向输入端为低阻抗,带宽不受增益的影响,压摆率更快,反馈电阻的取值有限制等特点。
可以看出CFB放大器更适合用于需要压摆率、低失真和可以设置电路增益而不影响带宽的电路中;而VFB放大器则适合于需要低调电压、低噪声的电路中。
这为我们选择前级和后级集成运放提供了理论依据。
2、增益控制的理论分析
AD603是AD公司的一种单通道、宽频带、低噪声、低畸变、高增益精度的VGA芯片。
它提供精确的、可由管脚选择的增益,且增益是按dB线性变化的,温度和电源电压变化时有很高的稳定性。
AD603由一个可通过外部反馈电路设置固定增益GF(31.07~51.07dB)的放大器、0~–42.14dB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利用了X-AMP拓扑结构,X-AMP由一个0~-42.14dB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6.02dB,可对输入信号提供0~–42.14dB的衰减。
X-AMP结构的一个重要优点是其优越的噪声特性,在1MHz带宽,最大不失真输出为1Vrms时,输出信噪比S/N为86.6dB。
AD603的基本增益为:
Gain(dB)=40VG+Go,其中,VG是差分输入电压,单位是V,范围为-0.5V~0.5V,Gain是AD603的基本增益,单位是dB。
Go是增益起点,接不同的反馈网络时Go有所不同,有10B、20dB、30dB。
其增益理论值为:
注意AD603的实际增益都是在理论理论增益的基础上限附加1.07dB,下限附加-1.07dB。
图5AD603内部结构图
AD603的输入电阻为100欧,故信号输入时应考虑阻抗匹配。
管脚4(COMM)必须与地线相连,因为它们之间若有明显的阻抗存在将降低增益的精确度。
AD603的显著特点是增益可变,并且增益范围也可变,不同的频带宽度决定不同的增益变化的范围。
频带宽度是由管脚的不同连接决定的。
图6AD603三种接法图
考虑到系统对增益和带宽的要求,PGA芯片AD603采用典型接法中通频带为30MHZ,PGA输入控制电压的范围为-0.5V~+0.5V,增益为0dB~40dB。
THS7001是TI公司的一款高速程控增益放大器,其带宽达70MHz,摆率为175V/us。
它包含一个低噪声的前置放大器和程控增益放大器,前置放大器为电压反馈型,提供1.7nV/
的低电压噪声和100M的带宽。
三位数控PGA提供-22dB~20dB范围的增益,步进为6dB,带宽为70MHz。
图7THS7001内部结构图
图8THS7001增益控制表格
3、系统增益分配的理论分析
题目要求增益范围10dB~58dB,由于AD603增益调节范围为-10dB~30dB,故将系统中固定放大器部分增益设置为16dB,THS7001增益调节范围为-22dB~20dB,其分8档可调,以6dB为步进。
本系统中只用到三档,-22dB档、2dB档和20dB档,这样系统总增益调节范围如下:
一档:
16dB+[0,40]dB+(-22dB)=[-6,34]dB
二档:
16dB+[0,40]dB+(2dB)=[-2,58]dB
三档:
16dB+[0,40]dB+(20dB)=[36,76]dB
系统增益调节范围为[-6,76]dB,远超过题目要求。
通过单片机和FPGA控制驱动D/A转换器输出AD603的控制电压,设置THS7001的增益控制脚,可以很方便的实现系统增益的线性调节。
4、主要功能电路设计
1、输入缓冲电路设计
题目要求输入阻抗≥1kΩ,所以必须加输入缓冲以提高输入阻抗;另外前级电路对这个电路的噪声影响非常大,就必须尽量减少噪声。
如果用仪器运放(如AD620),带宽难以达到要求。
根据以上分析VFB与CFB运放的各自的特点,故选择高速低噪声电压反馈型运放THS4011作前级跟随。
THS4011是TI公司的一款高速运放,带宽为290MHz,摆率为310V/us,输出电流达110mA。
用其构成同相放大器。
图9输入缓冲电路图
2、增益控制电路设计
增益控制级采用THS7001级联AD603构成,AD603采用0~40dB接法,由于它容易自激,电源滤波要做好。
其1脚接由基准源REF02分压得到的0.5V正电压,2脚接数模转换器的输出端以控制其增益变化。
THS7001包含一个前置放大器和一个程控增益放大器,前置放大器不接,G0、G1、G2由FPGA控制。
图10增益控制电路图
3、后级功放电路设计
后级功放我们选用AD811。
AD811是美国模拟器件公司推出的一种宽带电流反馈视频运算放大器。
增益G=+1的时候,-3dB的带宽140MHz;增益G=+2的时候,-3dB的带宽120MHz;增益G=10的时候,-3dB的带宽可达到100MHz;电压转换速率(即压摆率)为2500V/us。
它的输入阻抗为1.5M
,输出阻抗为11
当采用
15V电源时,在负载为200
时,输出电压峰峰值可以达到25V,有较强的后级驱动能力,完全满足题目的要求。
我们将AD811按一般的同相放大器的接法连接,取反馈电阻2.2K。
图11后级功放电路图
4、峰值检波电路设计
峰值检波电路是由二极管电路和电压跟随器组成,其工作原理为:
当输入电压正半周通过时,检波管U2导通,对电容C1、C2充电,直到到达其峰值。
三极管的基极由FPGA控制,产生10us的高电平使电容放电,以减少前一频率测量对后一频率测量的影响,提高幅值测量精度。
其中U1为常导通,用以补偿U2上造成的压降。
适当选择电容值,使得电容放电速度大于充电速度,这样,电容两端的电压可以保持在最大电压处从而实现峰值检波。
此电路能够检测的信号频率范围很宽,被测信号频率低时检波的纹波较大,但通过增加小电容和大电容并联构成的电容池可以滤除纹波。
如果此电路中的二极管使用高频二极管,就可大大提高测量范围的频率上限。
为隔离前后级,前级用AD811构成射极跟随器,后级用OPA277构成射极跟随器。
图12峰值检波电路图
5、AD采样电路设计
峰值检波后,用MAX1270进行A/D采样转换。
MAX1270是8通道、多量程双极性输入、逐次逼近型12位串行AD转换器。
单电源+5V供电,采样速率110kbps,写入控制字可实现时钟模式、通道选择、输入范围(正负10V,0~+10V,正负5V,0~+5V)的选择。
芯片提供内部基准源4.096V。
图13MAX1270电路图
6、电压控制电路设计
电压控制采用12位DA转换器TLV5618。
TLV5618是TI公司的一款电压输出型串行DAC,单电源供电,内含双DA及增益为2的轨至轨输出缓冲。
在电路中配以高精度电压基准REF02。
该DAC是串行接口,很大程度上节约了系统口资源,但同时常用到MCU的P0、P2口是并行口,与串行器件的时序匹配较为复杂,用静态口P1口来模拟串行口时序又会占用MCU很多处理时间,影响系统效率。
为使MCU对串行器件操作简单,我们把串行时序在FPGA中用状态机描述,同时这样的控制状态机又对MCU提供有P0口、CS、WR的微机标准时序接口形式,这样MCU只须选中相应地址,就可写入所要得到的电压数据,状态机会完成串并转换,以TLV5618的串行接口时序将数据写入芯片并锁存,跟普通写I/O口操作一样简单方便,而DAC模块的输出端即可得到相应输出电压,从而达到控制增益的目的。
图14TLV5618内部结构图
图15电压控制电路图
7、稳压电源设计电路
电源部分输出±5V,±12V电压供给整个系统。
电源采用桥式全波整流,大电容滤波,三端稳压芯片稳压的方法,产生各种直流电压。
稳压芯片采用的是7805、7905、7812、7912。
图16电源电路图
五、系统软件的设计
1、软件总体介绍
根据题目要求,要实现增益值6级可调,步进间隔6dB、增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB、显示预置增益值以及显示输出正弦电压有效值的控制和界面显示功能,我们硬件上采用8位CPUAT89S52,通过C51编程实现。
单片机主要完成读键值、控制电压增益和送显示的功能。
而FPGA(采用Atera公司的Cyclone系列的EP1C6QC240)则作为一个总线控制器,对键盘、液晶和A/D与单片机之间的数据交换进行管理。
采用VerilogHDL语言在Quartus7.1的环境下编程实现。
2、程序流程图
图17程序流程图
6、测试数据及分析
1、使用仪器及型号
清华同方计算机:
奔腾四CPU+1G内存+WindowsXP操作系统
直流稳压稳流电源:
型号SG1733SB3A
60M数字存储示波器:
型号TektronixTDS1002
数字信号源:
型号Agilent33120A
万用表:
型号MF47F
2、测量方案
将各级电路级联起来,输入1MHz,峰峰值为100mV的正弦信号,接入600欧姆的负载。
先调整10dB增益,即调节送入16位DAC的控制电压.然后分别将增益设置在16、22、28、34、40dB等,细调AD输出控制电压。
找出并验证其线形关系,做必要的修正。
并通过前后的检波系统和单片机的控制,使增益有自适应性和智能性,通过这种方法理论上可以将误差控制到极小的范围。
3、测量数据
(1)最大输出电压有效值
输入频率为100KHz,峰峰值为209mV的正弦信号,设置增益为40dB,得到输出电压有效值为6.92V,满足题目要求大于6V的要求。
(2)频率特性测量
增益为-6dB~64dB时,1dB通频带范围为40Hz~15MHz。
(3)AGC测试
将频率固定在100KHz,改变输入电压幅值。
经测试输入电压最大可达到Vmax=9V,最小达到Vmin=6mV,均可保持输出电压有效值在4.6V到5.1V之间。
根据题目要求AGC范围:
-
=
=62.6dB≥20dB
满足题目要求。
(4)零输入噪声
将输入端短接,设置不同的电压放大倍数,得出的噪声电压如下表所示,均满足题目要求小于500mV的要求。
-6dB
0dB
4dB
10dB
16dB
22dB
28dB
54mV
60mV
60mV
66mV
80mV
140mV
200mV
34dB
40dB
46dB
52dB
58dB
64dB
80mV
90mV
180mV
220mV
200mV
300mV
4、数据分析
系统各项指标均达到题目要求,将系统最大增益扩展到了64dB,通频带扩展到15MHz,远超出题目要求。
系统误差主要来自于以下几个方面:
外界的强电磁干扰,由于本系统中采用了对控制电压非常敏感的可变增益放大器AD603,当外界电磁干扰较大时,如果没有屏蔽措施的话,噪声的电压直接叠加在AD603的电压控制端上,这样就会使实际增益输出极为不稳定,这是整个放大系统最大的增益误差来源。
有效地排除外界干扰是保证整个放大系统增益稳定的有效保证。
高频自激。
由于系统的工作频率较高,而系统电路又比较复杂,布局,飞线不合理很容易导致高频自激;而且系统增益要求很高,采用了多级放大,这样必然导致系统相移增加,愈加容易产生高频自激。
若发现产生了自激现象,首先要做的是切断电源,因为这种情况下电路中的电流飙升,马上就会烧掉那些起关键作用的芯片。
本系统控制部分采用了单片机和Cyclone板,上面均有高频震荡器件,电路制作方面由于材料限制,没有采用屏蔽盒等抗干扰措施,可能使输出产生噪声。
七、系统分析与总结
1、本系统完成了题目的基本要求和发挥部分的所有要求。
本设计偏重于模拟电路的处理,选用了集成芯片AD603和THS7001级联做增益控制,得到了很高的增益和较小的噪声。
采用了多种抗干扰措施来处理前级放大,达到了很好的效果。
本系统的不足之处是最大增益只做到64dB。
2、模拟峰值检波电路检波的效果与信号的频率有关。
对不同的频率,相同幅值的信号检出的峰值略有不同。
这样实际的幅值和我们经过检波后的采样的读数就会有所差别。
可以通过先调试测量,再根据测量结果作必要的软件修正。
3、本系统的关键在于抗干扰措施,我们采取的措施有:
(1)高频电路就近多点接地和低频电路的一点接地;
(2)数字地与模拟地分开走线,只在一点汇在一起,用磁珠相连。
这是因为对于高频模拟电子线路来说,地需要保持无杂波存在。
而数字地信号比较杂,所以模拟地和数字地要尽量隔开,仅仅在一个地方汇合,这样数字地上杂乱无章的信号对模拟部分的影响会变的小很多,这个对保持电路的性能是非常关键的。
(3)所有模块的电压输入端以及AD603的控制电压均采用一个100uF和0.1uF的电容并联接地,形成一个电荷池,抑制了外来干扰。
(4)利用磁珠(大的)连接敏感地方的电源线以及地线(强烈推荐)。
(5)利用扼流圈处理AD603的电源,消除电源的抖动。
(6)数字部分(包括AD/DA/系统板)的地线一定要尽量避开AD603的地线,而且利用大磁珠隔开(强烈推荐)。
(7)注意整块板子的布线,不要全缩成一团,也不要拉的太长,信号走线采用同轴线,注意尽量不要走太远。
还有,地线一定不要构成环,不然,会引入噪声。
八、参考文献
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北京航空航天大学出版社,1999年3月
[2]谢自美.电子线路设计·实验·测试(第2版).湖北:
华中科技大学出版社.2000年7月
[3]董尚斌.电子线路Ⅰ.北京:
清华大学出版社2006年10月
[4]谢自美.电子线路综合设计.湖北:
华中科技大学出版社.2006年
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