宽带直流放大器

宽带直流放大器一、系统方案论证与选择1、总体方案设计及论证实现宽带直流放大可采用如下两种方案：方案一：采用分立元件与集成器件构建放大电路固定增益部分采用三极管构建多级放大电路，通过调试选择适当的外围器件，达到较高的精度；程控增益部分采用单片机控制模拟开关选择不同的电阻值实现。要想采用该方案高精度的要求，需要对外围器件进行精确的计算和繁琐的调试，效率很低，系统稳定性差，相位的线性度差，所以不采用该方案。方案二：整个系统都使用集成器件构成采用低噪声、低漂移、高输入阻抗的宽带运算放大器构建多级放大电路，单片机结合数模、模数转换控制压控运算放大器实现稳定的高精度线性增益控制，功率集成器件实现功率放大输出。该方案具有温度稳定性好，相位线性度高，增益可控精度高，系统稳定性好，可实现高功率，高质量信号输出，能很好的完成设计要求。综上比较，本系统采用方案二；结合设计要求：小信号输入、大功率输出，所以采用如图1所示的系统结构输入信号通过采用低漂移、低噪声、高输入阻抗的宽带运算放大器OPA642作为前置电压跟随器实现了输入电阻≥50的要求，通过单片机线性地控制实压控运算放大器AD603实现增益高精度程控，其放大倍数最大为60dB、通频带为10MHz，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，实现友好的人机交互。2、可控增益放大电路方案一、采用增益带宽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增益带宽积大的特点，使输入的小信号充分放大，在用前级跟随AD603AD818跟随调零AD603带宽选择滤波功率放大ARM显示、触摸输入DADAADOP37或其他高压运放放大至有效值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，但是要实现数字控制的可控对数增益很不方便。方案二、采用基于DAC的PGA方法。可以实现D/A芯片的电阻网络改变反馈电压控制电路增益，其功能类似于电位计。放大器的增益准确度取决于DAC的分辨率和电路增益。优点是便于实现数控，结构简单，控制方便。但是增益增大时，对应的数字位也越小，增益准确度会降低，一般将增益限制在256倍以内。方案三、采用集成宽带的可调增益放大器。以AD603为例，单片AD603可以有40dB的可调增益范围，在-10~30dB的模式下有90MHz的宽带，可以很好的满足要求。对于60dB的可调范围，可以串联两级AD603实现。并且，AD603采用电压控制放大，对数增益与控制电压成正比，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，方案二的增益达不到题目要求，方案三能够很好的满足要求，最终选择方案三。3、末级功率放大器方案一：集成功放芯片，如：音频功放LM386、TDA2030等，电路结构简单，使用方便，性能稳定，由于受到电源电压和带宽的限制，不适合本课题。AD811、HA-2539两高速芯片参数均能达到课题要求，制作电路时很容易产生自激振荡。方案二：使用分立元件结合集成运算放大器设计功放电路。经过合理计算可以得到合适的参数，以满足放大要求。故选择方案二4、稳压电源方案一、有整流电路和稳压电路两部分组成，稳压电路接在整流电路很负载之间，采用了三端稳压器文雅，该稳压电源的电路非常简单，输出电压纹波很小。方案二、开关稳压电源，此方案效率高，但电路复杂，开关电源的工作频率通常为十几至几百KHz，基波与很多谐波均在本放大器通频带内，极容易带来串扰。故电源模块选择方案一。二、硬件单元电路设计1、前级电压跟随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。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，采用低漂移、低噪声、高输入阻抗的宽带运算放大器OPA642作为电压跟随器，有效抑制输入信号的零点漂移，此放大器的增益带宽积为400MHz。2、可控增益放大该部分采用AD603典型接法中通频带最宽的一种，通频带为90MHz，增益为-10~30dB，使用两片AD603级联，增益可达-20~60dB。由于AD603零漂、失调问题严重，每当调节AD603不同增益时，输出的直流偏离电压也不同，两级AD603串联易产生自激现象，因此，在两级AD603之间加入一级AD818作缓冲，避免自己现象，同时改善零点漂移问题。3、调零电路运放电路，其运放芯片由于本身性能的原因以及温度、电路等外界因素会使得运放芯片在工作时存在零点漂移现象，当零点漂移现象严重时，将影响测试结果。本系统中有电压跟随模块、AD603可控增益放大模块、功率放大模块，这些模块的芯片在工作时都有可能产生零点漂移现象，特别是AD603,其零点漂移现象极为严重，而可控增益模块在本系统中起决定性作用，因而在两级AD603之后加入该调零电路。该电路一端输入P1接可控增益放大部分的输出，一端输入P2接单片机的DA输出。系统测试之前先将信号源短路使系统输入为零，然后经P4口单片机AD采样，得到零点漂移电压，单片机内部程序对其进行处理得到调整零漂的输出电压经DA输出给P2口进行调压。4、分档滤波电路根据系统设计要求，需要一个5MHz和10MHz的滤波器，一般滤波器和有源滤波电路都难以达到上述带宽要求，且价格高。因此采用七阶切比雪夫低通滤波器，该滤波器具有结构简单、成本低廉、带宽大、稳定性好、波动小等特点。通过对继电器L1触点的控制实现了系统通频带0~5MHz和0~10MHz两个范围预置，系统默认选择10MHz通频带，用单片机配合控制继电器进行切换。单片机信号输入端接入光电耦合器，提高了电路的工作温度范围、抗干扰能力，同时起到一定的电气隔离。5、末级功率放大电路采用多片集成运算放大器并联组成后级功率放大电路，通过改变放大器的增益实现不同倍数放大，多片放大器并联可提供较大的输出电流。多片集成运算放大器并联放大电路结构较为简单、易于实现，且输出波形无明显失真。本系统选用高压低失真电流反馈型放大器THS3091，最大驱动电流可达350mA，3片THS3091最大可提供1050mA的电流。信号由同相端输入，增益设置为3.8倍（11.6dB），起到隔离和放大信号的作用。5、稳压电源电源电路原理图如图所示，三端稳压芯片7805、7905、7815和7915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+15V、-15V、+5V、-5V提供给各单元电路。三、系统软件设计系统软件主要包括了系统初始化程序、LCD显示程序、触摸程序、D/A、A/D转换程序。程序中实现对带宽量程的选择（默认为10MHz）、预置增益时使用的键盘设计、AGC自动增益控制的开启与关闭、手动调节增益步进等，在触摸屏设置相对应的触摸区域。系统流程图如下所示：自动增益的开启与关闭，触摸屏上的触摸动作，通过单片机内的标志符进行判断。当AGC自动增益开启时，单片机通过峰峰值检测电路采集增益可控电路输出端的电压值，经AD转换及增益控制换算，给出可调模拟电压，经DA转换输出到两片AD603的一号管脚，以调节增益。预置增益、手动调节增益时，通过输入单片机的增益信号，换算成相应的控制信号，经DA转换，输出到AD603，以达到所需增益。带宽选择，通过触摸屏上的触摸动作，单片机发出带宽选择信号，控制继电器触点切换，达到带宽选择的效果。四、测试结果与分析调试说明：前级跟随由于采用了电压反馈型高速运放，抑制了零点漂移，带宽足够中间级可控增益模块是调试的重点难点，我们花了很长的时间在两片ad603级联的调试上，按照pdf上的介绍，我们选择了5,7号脚直接相连的方法，带宽为90M,可控增益为-10到30db,我们在面包板上搭了电路，发现第一级603便有自激现象，到第二级已经完全失真，我们加了前级跟随后第一级效果明显提升，但第二级自激依然非常严重，我们找了很多防自激的办法，加相位补偿，虽然有效果，但输出信号会衰减；加中间级跟随，也不理想。屡试屡败的我们只好选择在电路板上调试，用上了电缆和接头，但发现第二级自激依然很严重，我们在两极之间尝试了各种组合的级间电容，初见成效，但当两极增益到50db以上时噪声干扰还是很大。考虑到高频信号对布局的要求，我们重新焊了板子，连接线尽量短，一点接地，效果比之前好了很多。在测试时我们还发现接地的位置对电路影响也非常大，我们只好寻求最佳的接地位置。但同时又有了新的问题，用单片机控制增益时，单片机对线路的干扰非常大，我们还没找到解决办法。两极603后我们测试发现零点漂移经过放大后可达到500mv，会严重影响后级信是初始化是否触屏？判断功能块步进增加步进减少预置值输入带宽选择AGC开关否号的处理，我们设计了加法电路，用ad采集漂移值，然后da输出补偿漂移量，这样就能实现自动调零功能，但问题和603一样，单片机控制，尤其是接地对信号影响很大。滤波选择模块，我们在面包板上分别搭了有源和无源滤波，由于本题的带宽对芯片要求比较高，有源滤波的效果很不理想，然后我们尝试了切比雪夫和椭圆滤波，由于材料所限，我们用了7阶切比雪夫，5M的滤波在0~4M内基本满足要求，10M的在0~7M内满足通频带要求。功率放大级我们用了三片ths3091并联，通过资料发现因为是电流反馈型运放，所以其负端的输入阻抗应该是很小的，这款芯片也不是那么容易自激的，反馈电阻Rf的取值和频率响应是有很大的关系的，接探头*1时，会引入一个较小的阻抗，产生较大的电流，易烧坏芯片！正确接法应该是*10！一般情况Rf决定了它的带宽。效果良好。五、总结系统利用数字技术实现增益的步进和预置，以AD603为放大器核心的宽带直流放大器，实现对0~10MHz正弦信号的0~70dB放大，带宽可预置5MHz或10MHz两种，在50欧负载下最大输出电压峰峰值为20V。系统具有宽频带、低噪声、高增益、高抗干扰、性能稳定的特点。通过电源旁路电路增加电路的稳定性，许多电源和地之间使用10uF的钽电容在并联一个0.1uF的陶瓷电容，以消除电源电压纹波或传输带来的干扰信号。本系统具有直流零点校正功能，在很大程度上消除了电路偏置电压带来的影响，对直流零点漂移起到抑制效果。更关键的是采取了多种抗干扰措施，如继电器模前级跟随模块采用屏蔽保护、使用同轴电缆、输入级采用SMA接头、功放加风扇散热等。然而实际调试过程中，由于我们自身对于高频信号这方面的知识（包括：如何布线防干扰、如何接地防干扰、电源对地去耦……）尚浅，导致整过过程没有达到预期效果，几天的调试过程也让我们深入了解了这些知识。从这个课题中，让我们了解了许多有关高频信号问题的处理，今后的训练中我们将提高对这方面的重视。六、参考文献《电子技术基础—模拟部分》高等教育出版社康华光主编《电子技术基础—数字部分》高等教育出版社康华光主编