基于单片机的宽带放大器设计.docx

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基于单片机的宽带放大器设计

1宽带放大器简介

1.1什么是宽带放大器

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。

1.1.2放大器的分类

将其分为甲、乙、丙三类工作状态。

甲类放大器电流的流通角为360o，适用于小信号低功率放大。

乙类放大器电流的流通角约等于180o；丙类放大器电流的流通角则小于180o。

乙类和丙类都适用于大功率工作丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。

高频功率放大器大多工作于丙类。

但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。

由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。

集成运算放大器主要类别

　　下面对不同特性的集成运算放大器进行介绍。

　1.通用型集成运算放大器

　　通用型集成运算放大器是指它的技术参数比较适中，可满足大多数情况下的使用要求。

通用型集成运算放大器又分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，其中Ⅰ型属低增益运算放大器，Ⅱ型属中增益运算放大器，Ⅲ型为高增益运算放大器。

Ⅰ型和Ⅱ型基本上是早期的产品，其输入失调电压在2mV左右，开环增益一般大于80dB。

　　2.高精度集成运算放大器

　　高精度集成运算放大器是指那些失调电压小，温度漂移非常小，以及增益、共模抑制比非常高的运算放大器。

这类运算放大器的噪声也比较小。

其中单片高精度集成运算放大器的失调电压可小到几微伏，温度漂移小到几十微伏每摄氏度。

　　3.高速型集成运算放大器高速型集成运算放大器的输出电压转换速率很大，有的可达2~3kV/μS。

　4.高输入阻抗集成运算放大器

　　高输入阻抗集成运算放大器的输入阻抗十分大，输入电流非常小。

这类运算放大器的输入级往往采用MOS管。

　　5.低功耗集成运算放大器

　　低功耗集成运算放大器工作时的电流非常小，电源电压也很低，整个运算放大器的功耗仅为几十微瓦。

这类集成运算放大器多用于便携式电子产品中。

　　6.宽频带集成运算放大器

　　宽频带集成运算放大器的频带很宽，其单位增益带宽可达千兆赫以上，往往用于宽频带放大电路中。

　　7.高压型集成运算放大器

　　一般集成运算放大器的供电电压在15V以下，而高压型集成运算放大器的供电电压可达数十伏。

　　8.功率型集成运算放大器

功率型集成运算放大器的输出级，可向负载提供比较大的功率输出。

1.2课题设计要求

1.带宽3dB通频带为10kHz～6MHz，可以扩展。

　2.增益

（1）最小值为10dB，基本指标为40dB，最大值≥60dB。

（2）可步进调节，在10～58dB范围内，步进间隔为6dB；要求更高时，步进间隔为2dB。

（3）可预置增益值，并显示。

（4）预置增益值与实测增益值的误差要求：

在步进间隔为6dB时，误差小于2dB；在步进间隔为2dB时误差小于1dB。

（5）带内增益平坦度要求：

在增益为40dB时，在20kHz～5MHz范围内，增益起伏小于1dB。

（6）自动增益控制要求：

在4.5V≤V0≤5.5V范围内，AGC范围≥20dB，即输入信号的ViH/ViL大于12.2倍。

　　3.最大输入电压幅度（有效值）

（1）基本要求≥3V；

（2）扩展要求≥6.5V；（3）数字显示正弦电压有效值。

　　4.噪声性能在AV=58dB时，输出噪声峰－峰值不大于0.5V。

　　5.输入阻抗≥1kΩ；负载电阻为600Ω；单端输入、单端输出。

　　6.进一步提高各项技术指标，扩展功能。

　　对题意要求作了如上整理后，在作总体方案设计时，至少有三点思路易于明确：

（1）器件选择必须选择宽带、低噪、增益可程控放大的器件，且这类器件必须从新型的高速宽带运算放大器中去寻找；分立元件很难奏效。

（2）硬件系统；根据最大输出电压幅度和最大增益要求，系统可分为3级、2级或1级（满足基本要求）来实现，每级的增益分配都不会太大，易于实现。

　　（3）增益指标这一项，内容较复杂，但主要都是依靠编程技术来完成。

3.课题的意义

随着社会生产力的发展，人们迫切地要求能够远距离随时随地迅速而准确地传送多媒体信息。

于是，无线通信技术得到了迅猛的发展，技术也越来越成熟。

而宽带放大器是上述通信系统和其它电子系统必不可少的一部分。

由此可知，宽带放大器在通信系统中起到非常重要的作用，于是人们也对它的要求也越来越高。

1.3总体方案设计

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。

图2－1系统方框图如

2芯片介绍

AD603运放性能介绍

　　由上可见，完成本题的关键在于选择好宽带、低噪、增益可控制的放大器件。

，如选择AD603、UA733等，AD603的有关技术性能。

3.AD603的特性

　　图1为AD603的引脚图，表1为其引脚功能，图2为AD603原理框图，图3为其最大增益与Rx之间的关系。

这些图表对了解AD603的电气性能非常有用。

图2-2AD603引脚图

4.电气性能

（1）增益特性

　　①固定增益上限Av（0）：

与5、7脚之间的外接电阻Rx有关，Rx=0（5、7脚短接），Av（0）max=30dB。

Rx=6.44kΩ，Av（0）max=50dB。

所以，固定增益的上限为（30～50）dB。

　　②增益衰减范围：

由内部R-2R精密梯形网络实现，R=100Ω，每节衰减6dB，共有7节，总的衰减能力约40dB。

可见运放的增益在其上限之下，有40dB的可调范围。

　　③增益控制调节方法：

1、2脚都是其控制电压Vg的接入端，由Vg控制内部衰减网络的无级变化，从而实现40dB范围内任一步进间隔的增益调节；Vg是1、2脚之间的电位差，范围是[-0.5V,0.5V]，超出该范围时，Vg的作用与区间端电压相同；在Vg控制下，放大器的对数增益（以分贝表示）与Vg成线性关系（Vg的单位为V）：

Av（Vg）=40Vg+（Gmax-20）（dB）。

　　图2-3AD603内部结构

图2-4AD603性能

　　例如：

当Rx=0，Gmax=30dB,Vg∈[-0.5V，0.5V]时,AV（Vg）范围为:

-10~30dB。

当调节范围超过40dB时,需用级联方式解决。

　　另外，控制端1、2脚之间输入电阻达50MΩ，对Vg接入电路不会产生影响；在内部，1、2脚与信号输入端3、4脚之间无电的联系。

因此，Vg调节增益是独立进行的。

（2）带宽当Gmax=30dB时，BW0.7=90MHz；当Gmax=50dB时，BW0.7=9MHz，即单位增益带宽接近3GHz；带内增益起伏小于0.5dB；大信号电压转换速率：

275V/μs。

　　（3）低噪声性能1.3nV/Hz。

故即使在100MHz频带里，噪声峰-峰值也仅0.13V左右。

　　（4）输入电阻100Ω。

这是由其R-2R网络决定的。

因此为提高输入阻抗，可采用宽带运放跟随器作输入级。

　　（5）极限参数及应用范围表2为AD603极限参数及应用范围。

5使用注意事项

（1）输入信号必须直接接在3、4脚上，否则影响精度。

（2）参考电压必须非常稳定。

（3）信号输入端宜加保护电路，以防过压输入。

（4）容易自激。

电源和地之间加去耦电容，各级电源之间加电感线圈隔离。

（5）对容性负载敏感，易造成自激，当用同轴电缆连接输出时，宜加缓冲器隔离。

（6）前后级易产生电磁耦合，必要时需用铜屏蔽盒隔离。

（7）级联运用时，因为Ri2=100Ω，为防止后级输入过流，应采取保护措施。

（8）在5脚上加接4.7μF电容接地，可适当提升高频分量，改善幅频特性。

2理论分析及各模块设计比较

2.1增益分配

本系统以可变增益增益放大器AD603为核心，其它各单元电路都是根据AD603及题目要求设计。

题目要求最大增益要大于40dB，最大输出电压有效值大于等于3V，而中间级采用的可编程增益放大器AD603对输入电压和输出电压均有限制，所以，必须合理分配三级放大器的放大倍数。

AD603的最大输出电压有效值约为1.2V，假如要实现发挥部分的最大输出电压有效值大于等于6V的要求，即输出电压峰峰值

＝2×6×

＝16.9V，（2-1）

为得到最大输出电压,则后级放大至少要有5倍。

发现，AD603在输出电压过大时，波形会有失真。

为了实现输出不失真，同时尽量扩大输出电压，把AD603最大输出电压的峰峰值为定为2V左右，则放大倍数

A＝

＝8.45＝18.54（dB）（2-2）

故后级需要放大8.5倍，即18.6dB。

另外，AD603的输入电压峰峰值为1.4V，所以前级放大不宜过大，以免输入大信号时会烧坏芯片。

考虑到AD603输入电压范围，所以让前级放大3.5倍。

2.2前级放大器

根据上述AD603芯片的特点，可将前端放大器简要设计如图3-1-1所示。

　　前端跟随器选用OPA642，其截止频率达400MHz，跟随线性度好；输入电压允许值与AD603相同。

这样，使系统输入阻抗远大于1kΩ的要求。

为了满足题目要求输入阻抗大于1k，选取R1=2K，Rf=7K，则放大倍数A＝－

＝－

＝－3.5

图2－1前级放大器

图2-2opA642

2.3增益控制电路

AD603的简化原理框图如图2-3-1所示，它由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。

图中加在梯型网络输入端（VINP）的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。

增益的调整与其自身电压值无关，而仅与其差值VG有关，由于控制电压GPOS/GNEG端的输入电阻高达50MΩ，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。

而且，如果AD603的增益用dB表示，则与控制电压成线性关系，以上特点很适合构成本题要求的放大器。

图2－3AD603原理框图

中的“滑动臂”从左到右是可以连接移动的。

当VOUT和FDBK两管脚的连接不同时，其放大器的增益范围也不一样，带宽在9MHz～90MHz之间

为加大中间级的放大倍数及增益调节范围，使用两片AD603级联作为中间级放大。

如果将AD603的5脚和7脚相连，单级AD603增益调整范围为，－10～＋30dB，带宽为90MHz，两级AD603级联，使得增益可调范围扩大到－20dB～＋60dB。

可满足题目要求的10dB～58dB的增益调节。

图2-4级联AD603电路图

两级AD603采用＋5V，－5V电源供电，两级的控制端GNEG都接地，另一控制端GPOS接D/A输出，从而精确地控制AD603的增益。

AD603的增益与控制电压成线性关系，其增益控制端输入电压范围为－500mv~＋500mv，增益调节范围为40dB，当步进1dB时,控制端电压需增大

ΔVG＝

＝25mv（2-3）

由于两级AD603由同一电压控制，所以，步进1dB的控制电压变化幅度为25mv/2=12.5mv。

由于AD603的控制电压需要比较精确的电压值。

使用12位的D/A转换器AD667，其内部自带10V基准电压，其输出电压精度为

＝0.00244V=2.44mv，可满足指标要求。

另外，通过A/D采样输出信号，由单片机计算后，再去调整D/A输出电压，就可实现AGC功能，扩大通频带。

2.4输出级电路设计

后级输出电路采用输入阻抗较高的同相放大形式，前面分析过，为得到最大输出电压,后级放大倍数至少为

A＝

＝8.45＝18.54（dB）（2-4）

则同相放大电路的增益Af=

=8.45

故

＝7.45实际应用时，选取Rf=8.2K，R1=1K。

图2－5后级放大电路

实测时，发现此电路带动600欧负载有些不够，在频率较高时输出电压峰峰值有较大下降，频率增高后，由于压摆率Sr限制，在高频大信号输入情况下，使得输出电压下降，故输出电流下降，导致带负载能力下降。

为此，采取扩大输出电流方式输出来驱动负载。

给运放扩流输出有多种方式，最常用的为三极管射随输出，但会稍微降低输出电压幅度，对发挥部分中提高输出幅度有影响。

为此在运放输出端加入两个并联的高速电流缓冲器来驱动负载，如图3-5-2。

使用的电流缓冲器BUF634在负载为100欧姆时最大输出电流250mA，其单位增益带宽可在30M～180M变化，由于本题对功率要求不高，使用BUF634完全可以满足题目要求的指标。

2.5放大部分

方案一:

直接采用高带宽的放大器和电阻网络,其增益调节可以通过调节反馈电阻来控制,其基本电路框图如图一所示.但是它的增益预先设定,调整困难,且增益与放大倍数成非线性变化,实现步进6dB误差较大,精确度不高.故没有选用.

图4-1

方案二:

采用可编程控制放大器的思想,将输入的交流信号作为高速D/A的基准电压,在其后加上宽带放大器,可以实现增益的自由选择,但是这种方案对放大器的要求较高,且需要高带宽的运算放大器.若D/A的转换位数为N位,就必须要求能实现2N倍放大的运算放大器.方框图见图二.

图2-6

方案三:

使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器AD603,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.用电压控制增益,便于单片机控制,同时可以减少噪声和干扰.

综上所述,选用方案三,采用电压控制可变增益放大器AD603作为增益控制.AD603是一款低噪声,精密控制的可变增益放大器,温度稳定性好,最大增益误差为0.5dB,满足题目要求的精度,其增益与控制电压成线性关系,因此,可以很方便的用D/A转换器输出电压来控制放大器的增益.

2.6测量有效值部分

　　方案一利用高速ADC对电压进行采样，将一周期内的数据输入单片机并计算其均方根值，即可得出电压有效值：

　　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，高频时采样难且计算量大，增加了软件难度。

　　方案二对信号进行精密整流并积分，得到正弦电压的平均值，再进行ADC采样，利用平均值和有效值之间的简单换算关系，计算出有效值显示。

只用了简单的整流滤波电路和单片机就可以完成交流信号有效值的测量。

但此方法对非正弦波的测量会引起较大的误差。

　　方案三采用集成真有效值变换芯片，直接输出被测信号的真有效值。

这样可以实现对任意波形的有效值测量。

　　综上所述，采用方案三，变换芯片选用AD637。

AD637是真有效值变换芯片，它可测量的信号有效值可高达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,并且可以对输入信号的电平以dB形式指示，该方案硬件、软件简单，精度也很高，但不适用于高于8MHz的信号。

　此方案硬件易实现，并且8MHz以下时候测得的有效值的精度可以保证，在题目要求的通频带10kHz～6MHz内精度较高。

8MHz以上输出信号可采用高频峰值检测的方法来测量，但是由于时间关系，高于8MHz的信号未能测量显示。

（2-6）

2.7输入缓冲和增益控制部分

　　为输入缓冲和增益控制电路，由于AD603的输入电阻只有100Ω，要满足输入电阻大于2.4kΩ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，必须尽量减少噪声。

故采用高速低噪声电压反馈型运放OPA642作前级跟随，同时在输入端加上二极管过压保护。

　　输入部分先用电阻分压衰减，再由低噪声高速运放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2.4kΩ。

OPA642的增益带宽积为400MHz，这里放大3.4倍，100MHz以上的信号被衰减。

输入输出端口P1、P2由同轴电缆连接，以防自激。

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。

　　图2-7

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，通频带为90MHz，增益为－10～+30dB，输入控制电压U的范围为－0.5～＋0.5V。

图6为AD603接成90MHz带宽的典型方法。

　　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，使用两级串联，增益为AG（dB）=40×U1+40×U2+20，增益范围是－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1.5dB带宽，根据幅频响应曲线可得出级联后的总带宽为60MH

2.8.功率放大部分及峰值检波电路

　　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级放大已足以满足要求。

选用NSC的2N3904和2N3906三极管（特征频率fT＝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。

通过调节R10来调节增益，根据电源电压调节R7可调节工作点。

　　2峰值检波电路

为了测量并显示输出信号的有效值,须加入峰值检波电路,最简单值检波电路仅仅由一个二级管和一个电容就可组成,但是为了提高精确度,在实验中采用了由运放所构成的峰值检波电路,其电路图如下图所示.图中,A1组成一线性半波整流电路,A2组成一加法电路,两者构成一线性全波整流电路,后端接上一电容后就实现了峰值检波的目的.此电路稳定性较好,达到了峰值检波的要求.

图2-8

2.9Proteldxp概述

电路设计自动化（EDA），是指将电路设计中各种工作交由计算机来协助完成，.如电路图（schematic）的绘制，印制电路板（pcb）文件的制作，电路仿真（simulation）等设计工作。

随着电子工业的发展，大规模集成电路的使用使得电路板走线愈加静谧和复杂，从而促进了电子线路cad软件的产生。

Protel则是众多软件中突出的代表，它操作简单，易学易用，而且功能强大。

Protel自1985年由altium公司开发至今，已经有多个版本。

1proteldxp的特点

（1）通过设计文档包的方式，将原理图编辑，电路仿真，pcb设计及打印这些功能有机的结合在一起，提供了一个集成开发的环境

（2）提供了混合电路仿真功能，对能否正确验证原理图电路中某些功能模块提供了方便。

（3）提供了丰富的原理图库和pcb封装库，并且为设计新的器件提供了封装向导程序，从而简化了封装设计过程。

（4）提供了层次原理图设计方法，支持“自上而下”的设计思想，使大型电路设计的工作开发成为可能

（5）提供老让强大的差错功能。

原理图中的erc工具和pcb的drc工具能帮助设计者更快的查出和改正错误。

（6）全面兼容的fpga设计功能，这也是以前版本所没有的。

2.原理图编辑系统

1．支持多通道设计

随着电路的日益复杂，电路设计的方法也日益层次化，完全相同的子模块可以多次重复输入，不必一一布线布局。

设计者先在一个项目中单独绘制并处理好每个子电路，然后将他们连接起来，protel的原理图编辑环境提供了多通道设计需要的全部功能。

2．丰富灵活的编辑功能

自动布线功能：

在设计原理图时，有一些专门的自动化特性来加速电器、件的连接，电气栅格特性提供了所有电器件的自动连接功能。

一旦光标进入电气栅格的范围，它会自动连接到最近的电气“热点”上，这种功能，使得连接线路的工作变的非常容易

便捷的选择功能：

设计者可以选择全体，也可以选择某个单项或是某一个区域，可以对选择中的对象执行移动，旋转，也可以执行复制，黏贴等功能。

3．强大的自动化设计功能

在protel原理图编辑环境中，不但可以设计原理图，还可以看到原理图的连接信息，由连接检查器来检查设计，有强大的错误提示功能，提示原理图中的错误信息。

4.强大的库管理功能

用户可以打开任意的数目库文件，而且不用离开原来的编辑环境就能直接访问需要的库文件，通过网络，还能访问多用户库。

5.电路信号仿真模块

传统的pcb板的设计依次经过电路设计，版图设计，pcb制作等工序，而pcb的性能只能通过一系列仪器测试电路板原型来评定。

如果设计的pcb板不能满足性能要求，上诉的过程就需要经过多次的重复，尤其是有些问题往往很难将其量化，因此就不可避免的要重复设计过程。

6．信号完整性分析

Protel中包含了一套完整高效的仿真器，能分析pcb的设计参数，如果pcb中任何一个设计要求有问题，都可以进行信号的完整性分析，以确定问题所在。