宽带直流放大器2009年全国大学生电子设计大赛(C题)

宽带直流放大器——2009年全国大学生电子设计大赛(C题)2009年全国大学生电子设计大赛一、赛题要求1．基本要求（1）电压增益AV≥40dB，输入电压有效值Vi≤20mV。AV可在0～40dB范围内手动连续调节。（2）最大输出电压正弦波有效值Vo≥2V，输出信号波形无明显失真。（3）3dB通频带0～5MHz；在0～4MHz通频带内增益起伏≤1dB。（4）放大器的输入电阻≥50，负载电阻（50±2）。（5）设计并制作满足放大器要求所用的直流稳压电源。2．发挥部分（1）最大电压增益AV≥60dB，输入电压有效值Vi≤10mV。（2）在AV＝60dB时，输出端噪声电压的峰－峰值VONPP≤0.3V。（3）3dB通频带0～10MHz；在0～9MHz通频带内增益起伏≤1dB。（4）最大输出电压正弦波有效值Vo≥10V，输出信号波形无明显失真。（5）进一步降低输入电压提高放大器的电压增益。（6）电压增益AV可预置并显示，预置范围为0～60dB，步距为5dB（也可以连续调节）；放大器的带宽可预置并显示（至少5MHz、10MHz两点）。（7）降低放大器的制作成本，提高电源效率。（8）其他（例如改善放大器性能的其它措施等）。2009年全国大学生电子设计大赛二、评分标准2009年全国大学生电子设计大赛三、试题分析及准备知识1、直流放大器：在自动控制及自动测量系统中，需要把一些非电量（如温度、转速、压力）等参数通过传感器转变成电信号，这些微弱的电信号经放大后就可以推动测量、记录机构或控制执行机构，从而实现自动控制或自动测量。这些电信号大都是变化极为缓慢、且极性固定不变的非周期性信号（直流信号），它需要直流放大器放大。宽带直流放大器通频带必须从0开始。2、电压增益：AV＝20LOG（Vo/Vi）电压增益AV≥40dB，不是指输出电压幅值除以输入电压幅值，而是指20×LOG（输出电压幅值/输入电压幅值），也就是输出输入电压的商的10为底的对数的20倍。40db表示输出电压与输入电压之比为100倍。2009年全国大学生电子设计大赛三、试题分析及准备知识3、通频带：用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。下限截止频率fL：在信号频率下降到一定程度时，放大倍数的数值明显下降，使放大倍数的数值等于0.707倍的频率称为下限截止频率fL。上限截止频率fH：信号频率上升到一定程度时，放大倍数的数值也将下降，使放大倍数的数值等于0.707倍的频率称为上限截止频率fH。通频带fbw：fbw＝fH－fL或者定义为：在信号传输系统中,系统输出信号从最大值衰减3dB的信号频率为截止频率,上下截止频率之间的频带称为通频带,用BW表示通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。2009年全国大学生电子设计大赛三、试题分析及准备知识4、零点漂移：由于直流放大器直接耦合，其中有任何一点静态电位的变动，都有会经耦合放大后在输出中呈现出来，即使没有输入信号，由于温度的变化和电源电压不稳定的影响，输出端也会出现电压的缓慢变动，这种现象叫做零点漂移。直流放大器中，前级的零点漂移会被逐级放大，以致在最后一级的输出端产生很大的漂移电压，而这种漂移信号与直流放大器所放大的缓慢变化的信号又十分相似，所以当漂移严重时，就无法分辨清输出电压的变化性质，它究竟是由于输入信号的变化引起的，还是因零点漂移而造成的。5、线性相位：一个单一频率的正弦信号通过一个系统，假设它通过这个系统的时间需要t，则这个信号的输出相位落后原来信号wt的相位。可以看出，一个正弦信号通过一个系统落后的相位等于它的w*t；反过来说，如果一个频率为w的正弦信号通过系统后，它的相位落后delta，则该信号被延迟了delta/w的时间。在实际系统中，一个输入信号可以分解为多个正弦信号的叠加，为了使得输出信号不会产生相位失真，必须要求它所包含的这些正弦信号通过系统的时间是一样的。因此每一个正弦信号的相位分别落后，w1*t，w2*t，w3*t。落后的相位正比于频率w，如果超前，超前相位的大小也是正比于频率w。2009年全国大学生电子设计大赛四、设计部分1、系统框图输入信号通过前置放大器实现了输入电阻≥50的要求，经放大倍数最大为60dB、通频带为10MHz的中间级放大器，将信号放大至1000倍，再经过通频带选择网络实现放大器通频带预置，最后经末级放大器达到了输出功率的指标要求。整个过程中，控制器控制电压增益和通频带带宽的预置输入与显示。图1宽带直流放大器系统框图前置放大器中间级放大通频带选择网络末级放大器显示控制器自制稳压电源预置输入信号输入Vin信号输出Vout220V50hz2009年全国大学生电子设计大赛2、硬件电路设计+VinOPA642+5V5V图4前级放大原理图V1Rk（1）前级放大电路前置放大电路使用电压跟随器实现，如图2所示。考虑到本系统的通频带为0~10MHz，为避免引入噪声，其输入阻抗必须限定在50~100之间，若电压跟随器的阻抗为Rj，图2电路的输入阻抗为。实际电路取Rk=100,则＞50。此前置放大电路还具有缓冲、隔离的功能，其电压增益接近于1，运算放大器选用OPA642，此放大器的增益带宽积为400MHz。kkkkRRRRRRRRjjjni//图22009年全国大学生电子设计大赛补充：电压跟随器电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。电压跟随作用：由于它的高输入电阻、低输出电阻，所以电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用，完成阻抗匹配的功能。2009年全国大学生电子设计大赛本级放大器由固定增益模块和增益控制模块组成，增益达42dB，带宽为12.5MHz，实现增益从22dB到42dB可控，并能实现增益为5dB步进可调。图4中间级放大原理图（2）中间级放大电路2009年全国大学生电子设计大赛（2）中间级放大电路由OPA620的幅频和相频特性（如图3所示）得，当单级闭环放大器的增益为20dB时，线性相位为零的最大频率约为3MHz＜10MHz，由此得出当单级闭环增益16dB时，通频带为12.5MHz，满足通频带带宽的设计要求。图3OPA620的幅频和相频特性BMHMHMHdBAd20z10z200z10)(增益带宽积增益带宽积模块OPA620集成运放的开环增益带宽积为200MHz，为满足系统最大通频带为10MHz的要求，由OPA620构成的单级闭环放大器的最大增益不能大于若同时获得60dB电压增益，至少需要四级放大。第一级放大器，取R1=100，R2=100，由公式dB，得R3=530，Av1=6.3倍；同理可得第二级放大器：R6=630，Av2=6.3倍。16)RR20lg(120lgAv2312009年全国大学生电子设计大赛增益控制模块在两级6.3倍（16dB）单闭环放大器级联后，再级联一级可变增益放大器（AD603），以实现对电压增益预置和步进的控制，如图5所示。AD603增益与控制电压的关系为AG（dB）=40Ug+10，输入控制电压Ug由AD603的1脚输入，控制电压范围为-0.5~+0.5。单片机可以通过D/A（将数字量转换为对应的模拟电压量Ug）来控制AD603的放大倍数，中放的最大增益=AGdB+16dB×2。设计时Ug取值范围为-0.5~0，从而实现增益从22dB到42dB可控，并能实现增益为5dB步进。图5增益控制模块原理图2009年全国大学生电子设计大赛补充：AD603当脚5和脚7短接时，AD603的增益为40Vg+10，这时的增益范围在-10～30dB。当脚5和脚7断开时，其增益为40Vg+30，这时的增益范围为10～50dB。如果在5脚和7脚接上电阻，其增益范围将处于上述两者之间。AD603的增益控制接口的输入阻抗很高，在多通道或级联应用中，一个控制电压可以驱动多个运放；同时，其增益控制接口还具有差分输入能力，设计时可根据信号电平和极性选择合适的控制方案。2009年全国大学生电子设计大赛（3）末级放大电路当系统负载电阻为（50±2）时，最大输出电压Vo≥10V，则由公式，可得，系统输出功率的最大值为。经前置放大和中放电路放大后，不具备驱动负载的能力，需经末级功率放大电路放大后才能达到系统对输出功率的要求。参考音频放大器中驱动级电路，考虑到负载电阻为（50±2），输出有效值大于10V，末级采用两级三极管直接耦合功率放大器，如图6所示。末级放大电路的电压增益在第一级，第二级采用了一对孪生功放管D669A和B649A（特征频率fT=140MHz，Ic=1.5A）进行功率放大。整个电路设计有频率补偿，可对0到10MHz的信号进行线性放大，放大倍数在实际制作过程中通过调节可变电阻R10调整反馈深度获得20dB增益，使整个放大器的总增益为62dB，在10MHz以下的通频带内增益非常稳定，可有效抑制通频带内增益起伏的变化。18//]//121r[)1(176be2RRRRAV）（o2RUPW08.225010P2max2009年全国大学生电子设计大赛图6末级放大原理图2009年全国大学生电子设计大赛（4）各级增益控制通过放大电路，系统总增益可调范围是42dB~62dB，不能满足题目的要求。利用两组衰减网络分别将系统增益衰减20dB和42dB，如图7所示，可实现系统增益分别在0~20dB、22~42dB和42~62dB间变化，再结合增益控制模块实现了系统增益手动连续可调、5dB步进和预置。实验测试得，经42dB衰减网络后，系统频率特性仍较好。而经20dB衰减网络后，输入信号频率在1MHZ以上时，增益有所下降，为稳定增益，在衰减电阻上并联15pF的电容进行频率补偿。采用三组继电器对增益范围进行切换，由单片机的I/O口P2.0、P2.1和P2.2控制继电器的动作。图7增益衰减网络2009年全国大学生电子设计大赛（5）通频带选择网络通过对继电器L1和L2触点的控制实现了系统通频带0~5MHz和0~10MHz两个范围预置，如图8所示。系统默认选择10MHz通频带。通过键盘选择通频带，当单片机的P0.5和P0.6口分别向三极管T1和T2的基极送高电平时，继电器的触点动作，使输入信号V2经5MHz的低通滤波器输出，即实现了预置0~5MHz的通频带4.7uH5.6uH1uH150pF510pF470pF100Ω100ΩR1R2L11L13L123.3uH4.7uH1uH33pF121pF151pF150Ω150ΩR1R2L21L23L2210M截止频率5MHz+5VGNDP0.5V2V2'截止频率10MHz继电器120Ω9013T1+5VGND继电器120Ω9013T2L1P0.6L2图8通频带选择网络2009年全国大学生电子设计大赛（6）电源模块电源电路原理图如图9所示，三端稳压芯片7805、7905、LM317和LM337起稳压作用，2200uf电解电容、100uf和0.33uf电容起滤除纹波作用，输出分别为、提供给各单元电路。图9电源电路原理图7818++2200uf0.33uf0.33uf2200ufVinVoGnd7918VinVoGndU1++10uf0.1uf10uf0.1ufU2GND+18V-18V220V~7805++2200uf0.33uf0.33uf2200ufVinVoGnd7905VinVoGndU1++10uf0.1uf10uf0.1ufU