宽带直流放大器设计方案(1) 2

宽带直流放大器方案设计一、方案的选择和论证分析题目要求，设计需要满足以下几个技术指标：在输入电压有效值Vi≤10mV情况下放大器电压增益必须大于60dB，且电压增益为60dB时，输出端噪声电压的峰－峰值VONPP≤0.3V。另外，3dB通频带0～10MHz；在0～9MHz通频带内增益起伏≤1dB，能为50欧姆的负载输出正弦有效值10V的电压。基于以上要求，我们把整个放大器分为5个板块来设计。前置缓冲级，中间增益可调放大级，后级功率放大电路，电源部分和滤波器。系统总体框图：1.前置缓冲级方案论证2方案一：采用宽带高精度集成运放。缓冲级对整个放大电路来说尤为重要，高质量的前级是放大电路的基本保障，故本设计中采用宽带高精度低噪声运算放大器OPA620构成电压增益为6dB的缓冲级。该运放增益宽带乘积为200M赫兹，能很好的满足题目要求。方案二：采用普通运放。普通运放虽然价格稍低，但是带宽和精度都十分有限，理论上虽然能用反馈的方式扩宽通频带，但是题目要求的10M赫兹频带太宽，故普通低价的运放很难达到实验要求。比较上述两种方案，方案一能更好的完善题要求的指标，方案二虽然成本较低，但是不容易达到题目要求，且前级配置的高低对后级电路影响很大。故选择方案一。2.中间增益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60dB放大器，则须采用三极管构成的多级放大器。此方案有选材方便和成本较低的优点，但是选择性能合适的三级管比较费时间，选择合适的三极管配对组合更是不容易，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。所以，我们对下一种方案进行论证。方案二：使用集成运放OPA620构成2级放大单个OPA620的增益可调范围为-20bB—+20dB，采用两级相连，则可以实现-40dB-+40dB的可调范围。从厂商的数据手册可以看出，OPA620外围电路简单，容易操控，通频带内增益起伏小于0.05dB，且放大效果较好。但是若要求实现提高部分0-60dB全范围的连续可调，两级OPA620放大则不能达到题目要求。方案三：使用低噪声增益可控放大器AD603使用两级AD603构成的增益可调放大电路。AD603是主要用于RF和IFAGC系统的低噪声可调增益放大器，它具有引脚可编程增益功能，可以使用一个外部电阻设置增益范围内的任何增益子范围，控制接口可以输入差分电压，也可以输入单端的正控制或负控制电压，使用十分方便。单级AD603便可以实现0-40dB的电压放大，且该增益范围内有30MHz的频带宽，性能优异，如果采用两级连放，理论上可以实现0-80dB的增益可调范围，能满足题目要求。其次，AD603构成的增益可控放大电路有很大的提升空间，可以通过电位器获取基准电压进行手动控制，通过模拟开关连接电阻器实现增益程控，通过单片机配合DAC模块实现不同精度的增益数控。所以比较上述两种方案，AD603与OPA620相比，容易实现增益数控，AD603有更高的性价比，我们最终选择方案三。3.增益控制电路方案一:单片机和数模转换芯片实现增益可调使用89C51单片机，选择稳定的基准电压，配合DAC0832输出电压信号控制AD603，从而实现增益数控。DAC0832是采样频率为8位的D/A转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，D/A转换结果采用电流形式输出，理论精度为1/256，能满足增益步进5dB的要求。该芯片价格便宜，使用方便，算是较常用的8位DAC芯片。该芯片为电流输出型，若采用该芯片实现AD603的增益可控，则须在输出端加上运算放大器LM324，实现电流到电压的转换，从而稳定实现增益可调。方案二：单片机、模拟开关和电阻网络实现增益可调使用89C51单片机，配合模拟开关控制不少于12个串联的电阻，通过取得电阻上的稳定电压控制AD603，从而实现步进为5dB的增益数控。模拟开关控制电阻网络与DAC模块工作原理相似，但是精度就远远不如8位DAC，并且使用模拟开关和电阻网络扩大了控制电路，电路集成度降低，引入更多的干扰因素。再者，从成本上看来，该方案也是不经济的。方案三：滑动变阻器实现增益手动可调通过电位器获取与基准电压成一定比例的控制电压输入AD603控制端，实现手动增益可调。该方案很容易实现增益连续可调，相比以上两种方案成本是最低的，理论控制精度最高，精度仅有电阻器可调精度决定，但是此方案仅适用于固定范围内的手动调节，在操作上有一定的局限性，偏离当今电子类产品智能化、高效化发展的主题。通过上述方案比较，我们选择方案一，单片机89C51和DAC0832实现增益连续可调，并可充分利用单片机拓展显示和预置功能。4.后级功率放大电路方案一：采用分立元件搭建若采用分立元件，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，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：利用集成功率放大实现若采用集成电路芯片，则电路简单、调节方便、性能稳定。但集成功放一般用于音频放大，难以实现题目要求的带宽。方案三：采用集成运放配合分立元件搭建的后级功率放大前级由运放对信号进行放大,后级由分立元件搭成功率放大电路对信号进行功率放大。本模块选用THS3091配合高频功率对管2N2905A和2N2219A晶体三极管构成准互补对称的功放电路。相比直接由两片集成运放并联级构成的功放电路具有更高的输出功率和更强的带负载能力。方案四：由高输出电流及电压型运放并联构成功率型放大器本方案直接使用三个THS3091并联组成后级功放电路。THS3091为高电压低失真高电流输出运放，三个THS3091并联构成的末级功率放大电路，比方案三中THS3091配合高频功率管构成的功放更加稳定，电路简单可靠，调试方便，这样大大节约了设计时间，提高了效率，且容易达到设计的要求指标。综上所述，我们选择方案四。5.直流电源部分方案一：线性稳压电源线性稳压电源具有低成本，使用方便，稳压性能较好，输出纹波小等优点，由于线性集成稳压电路输出电流不大，所以仅适用于小功率应用场合。使用W317、LM7805、LM7905分别设计±18V和±5V的直流稳压电源。性集成稳压器W317具有较高性能指标，电压调整率可达0.02%，电流调整率可达0.1%以上，纹波抑制比为66dB。方案二：开关型稳压电源开关型稳压电源的优点是工作效率高，特别适合于大功率输出电路。而电源电路中开关晶体管带来额外的噪声，消除噪声干扰必须附加较多的电感、电容等元器件，因而成本相对较高。为了合理满足整个放大系统的供电需求，我们选择方案一。二、理论分析与参数计算1.带宽增益积带宽增益积（GBP）是用来衡量放大器性能的一个参数。这个参数表示增益和带宽的乘积，且对于电压反馈型运放这一乘积是一常数。题目要求放大器电压增益Av大于等于60dB，即Gain1000V/V.通频带0—10MHz。所以本放大器的带宽增益积为GBP=1000*10M=10G单个放大器很难达到10G的带宽增益积，因此要考虑多级放大器级联。并根据各放大器的增益带宽积合理地配置其增益和带宽。根据所用放大器元件，我们将系统主要指标分配为：(1)前级缓冲级：增益为6dB，带宽大于30MHz;(2)中间放大级：增益为40dB,带宽为30MHz;(3)末级放大级：增益为18dB,带宽大于11.6MHz。系统实现总增益多于60dB的放大，带宽大于10MHz。2.通频带内增益起伏控制由于各运放器件及滤波器的幅频特性不平坦等诸多因素，系统通频带内增益会起伏。题目要求在0—9MHz的通频带内，增益起伏小于1dB。因各级增益是对数相加的关系，可分别对各级进行增益起伏控制。(1)前级缓冲级：选择增益平坦度较小的运放，使用OPA620，其增益平坦度为0.05dB(2)中间级联放大级：中间放大级增益最大，增益起伏主要来自于这一级。使用两片AD603级联增益平坦度为0.2dB(3)末级放大级：65MHz带宽增益平坦度为0.1dB(4)滤波器：增益平坦度为0.1dB总增益平坦度为0.45dB1dB(5)另外，直流供电的稳定性也会对各级放大产生影响。需要对直流电源输入作电容电感的π型滤波，有效滤除低频波纹和高频分量。3.线性相位线性相位就是从系统的频率响应来看，要求其相频特性是一条经过原点的直线，即t0,此时，信号传输不会产生相位失真。对于传输系统相频特性另一种描述方法是群延时τ，定义t=d。本系统各放大模块采用的放大器，从各芯片数据手册的相频特性曲线看，不是线性相位的。椭圆滤波器通过滤波器软件仿真，从相频特性曲线（图3-2）看也不是线性的。线性相位可以通过一个全通型相位补偿网络与滤波器级联来实现，不会降低滤波器的幅频特性，可将整个系统的群延时波动减小。4.抑制直流零点漂移零点漂移是直流放大器直流工作点的渐进的慢变化。产生零点漂移的因数很多，电路中任何元器件参数的变化，供电电源的波动，都会造成输出电压的漂移。但主要因数还是温度的影响。零漂是一种不规则的缓慢变化，增益越大，放大级数越多，在输出端出现的零漂现象越严重，因此主要考虑放大电路第一级零漂的抑制。所以要选择宽带的低噪声，低失真的高精度运放做为前级缓冲器，并作相应的补偿电路。5.放大器稳定性在放大器电路中为了提高运算精度，在电路中加入了负反馈回路，且负反馈越深，闭环特性越好。但在级联运放放大电路中，工作频率较高时，它所产生的附加相移可能会使负反馈回路的开环增益下降到1而达到180°，使原来处于负反馈的回路的放大器转变为不可控的正反馈状态，产生自激振荡，破坏放大器的正常工作。放大器不自激的条件是：当AdjFj1时j或j=(2n+1)时AdjFj1本设计的前置放大电路采取单级运放负反馈，保证了放大器在反馈条件下稳定运行。末级功放运用相位补偿技术，加入补偿电容调整末级功放的开环特性。三、电路设计1．输入缓冲级前置缓冲级采用宽带高精度运放OPA620，它具有很低的输入噪声电流和电压，分别为2.3pA/Hz½和2.3nV/Hz½,其增益带宽积为200MHz，作前置缓冲级不需要高增益的要求，只须保证小信号的充分放大，低噪声的供给下一级放大电路即可。另外，该电路必须加入调零电路，补偿静态时输入失调电压造成的输出偏移。电路如图3-1所示：图3-12.通频带选择电路通过单片机一个IO口控制继电器，切换5M和10M通频带，电路如图3-2所示。图3-23．椭圆滤波器我们使用FilterSolutions分别设计了-3dB截止频率为5MHz和10MHz的九阶无源椭圆滤波器。并通过仿真软件对电容电感值做调整。图3-2分别为5MHz和10MHz的椭圆滤波器电路及其幅频特性曲线图。图3-34.中间放大级AD603有20mV的输出失调电压，该电压会被逐级放大，当增益较大时，放大后的回波信号直流电位会大大偏离零点，导致输出波形信号顶部和底部出现严重的非线性失真。由于AD603本身没有设置调零控制端，所以只能在AD603输入端加入直流偏移调零电路。图3-4中AGC为单片机DAC控制增益信号接口。图3-45.单片机控制、显示电路本设计中采用适合于电路控制的单片机89C51作为主要控制模块，用其控制AD0832实现AD603的增益数控，控制继电器实现不同通频带的切换，并通过LCD1602显示放大器的通频带和增益。图3-5-1图3-5-26.后级功放电路后级功率放大采用高电压低失真电流反馈型运放THS3091，其输入共模电压范围为±13.6V,输出电压范围为±12.5V,输出电流达±250mA。为了能驱动50Ω负载需并联三片THS3091，输出更高的电流。电路如图3-4所示。图3-67.直流电源供电电路如图3-5所示，市电经变压器变压后经整流滤波送入三端稳压器，输