2010电子设计竞赛C题宽带直流放大器武汉大学

2009年全国大学生电子设计竞赛真题C题：宽带直流放大器题目基本要求设计并制作一个宽带直流放大器及所用的直流稳压电源,并符合以下基本要求：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≤1dB4.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增益噪声压摆率3dB带宽？？电源题目发挥部分1.最大电压增益AV≥60dB，输入电压有效值Vi≤10mV2.在AV＝60dB时，输出端噪声电压的峰－峰值VONPP≤0.3V3.3dB通频带0～10MHz；在0～9MHz通频带内增益起伏≤1dB4.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）基本要求分析采用一片可变增益放大器AD603和一片功率运算放大器THS3091即可实现基本要求：AD603具有42dB的可调增益范围，通过电位器改变VPOS和VNEG的电压差，即可手动连续调节增益。Itprovidesaccurate,pinselectablegainsof–11dBto+31dBwithabandwidthof90MHzor+9dBto+51dBwithabandwidthof9MHz.Anyintermediategainrangemaybearrangedusingoneexternalresistor.THS3091具有很强的电流驱动能力，输出的正弦波很容易在50的负载上达到2VRMS。HighOutputCurrentDrive:±250mAAD603的功能框图如图所示，采用由连续衰减器和固定增益放大器构成的X-AMP电路拓扑。输入噪声密度仅有1.3nV/√Hz，总谐波失真THD极小（-60dBc@10MHz，Vo=±1V），增益能在40dB的宽动态范围内线性、连续调节（误差小于0.5dB）。发挥部分分析增益要求。最大电压增益AV≥60dB，进一步降低输入电压提高放大器的电压增益。带宽要求。放大器的带宽可预置并显示（至少5MHz、10MHz两点）。功率要求。输出的正弦波在50的负载上达到10VRMS。增益要求1、最大电压增益AV≥60dB，输入电压有效值Vi≤10mV由于受到噪声影响，输入电压不可能无限制减小，最大电压增益也不会无限制地增大。在保证一定信噪比(﹥45dB)的情况下，Vimin可以小到200μVRMS。经过放大输出10VRMS，最大增益为94dB，本设计采用AD603连续可变增益与继电器切换放大倍数（三级）相结合的方式来实现。AD8336是ADI公司的另外一款可变增益放大器。可调增益范围：-26dB~34dB大信号带宽：80MHz@2Vpp电压噪声：3nV/√Hz电流噪声：3pA/√Hz宽电压供电：±12V因此只需要一片AD8336即可满足发挥部分60dB的可调增益。带宽要求题目中要求放大器的带宽可预置并显示（至少5MHz、10MHz两点）。因此，可采用继电器切换滤波器通道的方式实现。并且在截止频率处要求快速衰减（0～4MHz通频带内增益起伏≤1dB；0～9MHz通频带内增益起伏≤1dB）。本设计采用的9阶无源椭圆低通滤波器完全满足题目要求。功率要求输出正弦波在50的负载上达到10VRMS，即28.28Vpp。必须做以下的改进：1.提高供电电压至±18V。2.采用多片并联驱动50负载。本题的难点——直流放大AD603的带宽和噪声特性都非常优良，直流特性却不尽如人意。根据数据手册，其输出失调电压高达±30mV！如果再经过末前级放大和功率放大，直流误差可想而知。不仅如此，制作时还发现，失调电压和当前增益有关，仅仅用电位器调节失调电压是不够的。因此，本设计通过测量+补偿的方式实现了系统的自动调零。0～40dB12～42dB6～46dB20～60dB-14～26dB20～60dB40～80dB0～40dB34～74dB54～94dB总体结构框图50Ω阻抗匹配及AD603放大0~40dB调零加法器以及放大器12dB5MHz/10MHz椭圆滤波器-6dB滤波器匹配衰减器驱动14dB程控衰减器程控放大器-34/0/20dBTHS3091功率输出14dBMSP430F449控制核（ADC12）TLV5638双路DAC增益控制电压调零电压偏置电压采样滤波器设置程控增益设置电位器12345678GNDINAD6030.1uF10uF100uF1uF0.01uF30K7.5K+5-5+53KRf100uF1uF0.01uFSMA100ΩR1231输入Rp10K+5D/A输出连续可调变位器至调零放大器83267451OPA69010KR350KR2500ΩR11.5KR4-5D/A270ΩRc输入连AD603输出+5-50.1uF0.1uF输出一路至滤波器一路单片机内部A/D+1234NC5NC6789--10RE2RELAY-NEC+1234NC5NC6789--10RE1RELAY-NECR4135.8371pFC31.8uHL1343pFC72.2uHL3119pFC113.9uHL543pFC153.9uHL779pFC1285pFC5340pFC9458pFC13252pFC17R2135.878pFC41.8uHL2109pFC81.8uHL4182pFC121.2uHL619pFC162.7uHL862pFC2134pFC6105pFC10139pFC14100pFC18R1104.3R3104.3GNDVinGND5MHzEllipseLowpassFilter10MHzEllipseLowpassFilterVout52364718U1THS3001R6R5GND+15v0.1uFC2010uFC1910uFC21+15v-15v0.1uFC22GND+1234NC5NC6789--10RE3RELAY-NEC+1234NC5NC6789--10RE4RELAY-NECR952364718U2OPA699+5V-5VR8GNDR10R7R11R12R13GNDGNDVout-34dBAttenuator20dBAmplifierVin52364718U3THS309152364718U4THS309152364718U5THS3091R17VinR18R19R14R15R16R20R21R22+18V+18V+18V-18V-18V-18VGNDGNDGND0.1uFC2710uFC26330uFC23+18v-18VGND330uFC2410uFC250.1uFC28GNDR23300GNDR24300GNDR25300GNDR26300GNDR27300GNDR28300GND