基于单片机的宽带放大器设计

北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计11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。北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计24.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。北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计31.3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。北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计4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内部结构北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计5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。北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计62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minppV＝2×6×2＝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＝29.16＝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＝－1RfR＝－27＝－3.5北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计7图2－1前级放大器北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计8图2-2opA6422.3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。北京理工大学珠海学院2010届本科生毕业设计9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AD6