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题目:电压控制增益可变放大器设计（VGA）设计216第四组摘要:基于压控增益放大器VCA822，设计一个能够对频率大于15MHz，幅值小于1V的信号进行调理的程控增益放大器。该放大器增益17~58dB可调，具有自动增益控制的功能。放大器的输出端用宽带运放AD811和分立元件搭建的推挽电路，加强该放大器的驱动负载的能力。关键词：宽带放大器；VCA822；自动增益控制；推挽电路Abstract:UsingFPGAascontrolcore,anewmethodofdesigningaprogrammablegainamplifierwhichcanhandlewiththesignalthathasthefrequencymorethen15MHz,andtheamplitudelessthen1Vbyusingvolt-controllinggainamplifierVCA822ispresentedasfollowing.Theamplifiercanbemodulatedfrom10dBto58dB,withthefunctionofautomaticallycontrollinggain.Theoutputsideofthisamplifieradoptsthepush-pullcircuitconstructedbywidebandamplifierAD811anddiscretecomponents,andenforcesitsabilityofdrivingloads.Keywords:widebandamplifier;VCA822;controlofgain;push-pullcircuit目录1、系统方案比较与设计.............................................................................................31.1总体方案论证................................................................................................31.2主放大器选择................................................................................................31.3中间放大级方案论证....................................................................................31.4末级功率放大器方案论证............................................................................42、理论分析与计算.....................................................................................................52.1带宽增益积分析............................................................................................52.2输出电压幅值................................................................................................52.3放大器稳定性分析........................................................................................53、单元电路设计.........................................................................................................53.1前级缓冲电路................................................................................................53.2增益可调的中间放大级................................................................................63.3末级功率放大................................................................................................74、系统测试.................................................................................................................73.1测试方法........................................................................................................73.2测试步骤........................................................................................................83.3所用仪器设备................................................................................................83.4数据记录........................................................................................................85、结论.........................................................................................................................86、参考文献.................................................................................................................87、附录.........................................................................................................................81、系统方案比较与设计1.1总体方案论证分析VGA放大器设计要求的指标，增益调节范围为17～58dB，带宽大于等于15MH，控制电压Vg=-1V～+1V，Ri10MΩ；当接50Ω的负载，要求Vop≥10V。针对上述特点，我们将整个放大器分为三个模块：前置缓冲级，增益可调的中间放大级，末级功率放大级。系统整体框图如图1所示。其中难点是增益可调放大级和末级功率放大级，下面对这两个部分的方案分别进行设计论证。AD818VCA822OPA699同向放大AD811反向放大功率放大电阻分压-1~1VViVo阻抗匹配阻抗匹配缓冲、抑制噪声控制增益图1、系统整体框图1.2主放大器选择方案一：采用分立元件设计。此方案元器件成本低，但设计复杂度较大，并且由于受到众多寄生元件的影响，调试工程复杂且周期长，频率高时更突出。方案二：采用高速宽带集成运放组成多级运放电路。应用多级运放可以得到很大的增益，并且对单个运放的性能要求较低，系统总增益等于各运放增益的和，可以将信号放大和功率放大分开处理；带宽也比较好控制，可以选择多种耦合方式，充分的发挥出电路的性能；电路结构也比较简单，性价比也比较高。方案选择：由于题目要求的增益带宽积很大，性能要求比较高，所以选择方案二采用多级运放电路。1.3中间放大级方案论证方案一：采用三极管构成多级放大电路若用分立元件构成58dB放大器，则须采用三极管构成的多级放大器。此方案选材方便、成本较低。但是选择合适的三极管配对组合费时费力，并且题目给出的指标较高，三级管构成的多级放大器容易引起更多的干扰，影响放大质量。此外，晶体管构成的多级放大电路不易实现大范围的增益连续可调，这是相比于集成运算放大器的又一大缺点。方案一：采用带宽增益积大的运算放大器制作多级放大电路。以OPA842和OP37为例，利用OPA842带宽增益积大的特点，使输入的小信号充分放大，再用轨对轨运放TLV2462放大至有效值10V。这种方法采用电位器或者数字电位器连续调节放大倍数，设计简洁，但是要求-1～1V电压控制，难以实现。方案三：采用集成宽带的可调增益放大器。题目要求-1～1V电压控制，我们选择了宽带可控增益放大器VCA822，最大工作频带宽度可达150MHz，放大器增益由控制电压和外围电阻阻值共同决定，可以很好的满足需求。并且，VCA822采用电压控制放大，能够方便的通过单片机配合DAC控制。比较上述三种方案：方案一调整增益不便，方案二的难以实现题目要求的压控，方案三能够很好的满足要求，最终选择方案三。1.4末级功率放大器方案论证方案一：若采用分立元件，使用大功率、高速三极管推挽输出可以提高放大器的输出功率，驱动能力较强。但这种电路温度漂移严重，低频及直流时会严重影响输出效果。并且元器件较多，布线与调试繁琐、抗干扰能力较差。方案二：采用集成功率放大芯片，如AN7115。这种方法简洁，调节方便。但是集成功放一般用于音频放大，无法满足宽带要求。方案三：采用运放配合三极管实现。使用电流反馈型运放AD811和三极管2N3904和2N3906构成甲乙类互补对称功放电路，加入适当的反馈，即可提供大的电压增益和电流增益，从而达到宽带功放的目的。比较上述三种方式：使用分立元件有其优势，但是调试困难，低频响应与稳定性之间有矛盾，不适合作直流放大；集成功率放大器难以满足宽带放大要求；使用电压反馈型运放OPA642芯片配合三极管可以方便的实现了上述功能。最终选择方案三。2、理论分析与计算下面结合宽带放大器的各项指标，主要包括带宽增益，输出电压幅值，稳定性，线性相位分析4个方面，进行简要的理论分析计算，同时确定电路设计所需要的元器件。2.1带宽增益积分析由于多级放大电路的通频带比组成它的每一级的通频带窄，所以在芯片选型和电路设计中要分析带宽增益积，合理地配置各级的增益和带宽。主要指标分配为：（1）前置缓冲器：阻抗匹配，信号衰减一倍；AD818同向放大两倍，最终增益为0dB，带宽130MHz；（2）中间放大级：-1～1V电压控制VCA822增益-20～20dB，带宽60MHz；OPA699增益等于29dB，带宽33MHz；VCA822和OPA699都要进行阻抗匹配，信号衰减2倍；最终增益-2～37dB。（3）末级放大级：增益20dB，带宽20MHz。这样设计的宽带放大器增益范围大于17～57dB，频带宽度大于15MHz。2.2输出电压幅值在0～15MHz的通频带内，要求负载RL=50Ω，VOP≥10V。（1）经计算得功率≥5W所以负载电阻需要大功率的水泥电阻。（2）输出电流≥2A，所以放大电路之后需要加一个功率放大电路。2.3放大器稳定性分析由于采用三级放大器级联的方式，为了减少高频自激和消振困难，电路布线尽可能短，还要注意阻抗匹配；同时，为了消除内阻引起的寄生震荡，还要在运放