放大电路的概述文献综述

单位代码01学号分类号TN722密级文献综述放大电路的概述院（系）名称专业名称学生姓名指导教师201年月日黄河科技学院毕业设计（文献综述）第I页放大电路的概述摘要本篇论述分析的是应用宽带放大芯片，增益可控芯片，有源滤波技术和功率放大电路，实现20HZ到40MHZ的信号的放大，并设计相应的直流稳压电源。该系统最大的特点是输出功率大、效率高、失真小、具有控制精确灵敏，抗干扰能力强，可靠性高等显著优点，不仅如此，同时它也具有与传统的放大电路使用方便，价格低廉，制作实现容易等等特点，有着广泛的实际应用价值。该篇论证仔细、全面、深入，通俗易懂，适合多层次电子相关专业人士参阅。关键词：直流电源,宽带放大，功率放大，增益可控黄河科技学院毕业设计（文献综述）第1页引言随着当今科技的发展,信息交换量与日俱增，信息高速公路大规模建设迫在眉捷。在目前使用的电子技术教材中,放大器的应用电路所占的分量也越来越重,由它们构成了信号运算电路、信号处理电路和信号发生器等。在许多测量和控制系统中，通常用集成运放对微弱的电信号进行放大和处理，集成运放的精度将直接影响测量系统的精确度。这就需要具有精密测量仪器。因此，放大器有了很广泛的应用。影响集成运放精度的因素是多种多样的，但是在不同的使用条件下将由不同因素起主导作用。放大器有两种实现方式：自动增益控制放大器和限幅放大器。由于限幅放大器具有设计简单、功耗低、芯片面积小和外接元件少的优点，选择采用限幅放大器的形式来实现光接收机的主放大器。对要求增益低的反相放大电路（如增益Ao=1）来说，失调引入的误差将是非常严重的。在电压跟随器和电流电压转换器中，偏置电流引入的误差将起主要作用。通常，对放大器要求具有高的输入电阻，高共模抑制比，平衡差动输入，将双端输入转换成单端输出等，广泛应用在仪器仪表和医疗电器等方面。因此，分析放大器，对合理选择集成运放及外围电阻的大小和精度，组成高质量的放大器，提高测量系统的精确度是非常重要的。本文为满足精密测量的需要主要分析以下几个问题：仪用放大器的理论基础，使用方法及保护措施，实用仪用放大电路的理论分析及举例，高精度直流稳压电源等。黄河科技学院毕业设计（文献综述）第2页方案论证与比较1增益控制部分方案一：原理框图如图1所示，场效应管工作在可变电阻区，输出信号取自电阻与场效应管与对'V的分压。采用场效应管作AGC控制可以达到很高的频率和很低的噪声，但温度、电源等的漂移将会引起分压比的变化,用这种方案很难实现增益的精确控制和长时间稳定[3]。'V图1方案一示意图方案二：采用可编程放大器的思想，将输入的交流信号作为高速D/A的基准电压，这时的D/A作为一个程控衰减器。理论上讲，只要D/A的速度够快、精度够高可以实现很宽范围的精密增益调节。但是控制的数字量和最后的增益(dB)不成线性关系而是成指数关系，造成增益调节不均匀，精度下降[1]。方案三：如图2所示，使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA，用控制电压和增益（dB）成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制。用电压控制增益，便于单片机控制，同时可以减少噪声和干扰[2]。综上诉述，选用方案三，采用集成可变增益放大器AD603作增益控制。AD603是一款低噪声、精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高，最大增益误差为0.5dB，满足题目要求的精度，其增益（dB）与控制电压（V）成线性关系，因此可以很方便地使用D/A输出电压控制放大器的增益。输入高频放大高频放大AGC检波黄河科技学院毕业设计（文献综述）第3页图2方案三示意图2功率输出部分根据赛题要求，放大器通频带从10kHz到6MHz，单纯的用音频或射频放大的方法来完成功率输出，要做到6V有效值输出难度较大，而用高电压输出的运放来做又很不现实，因为市面上很难买到宽带功率运放[4]。这时候采用分立元件就能显示出优势来了。3测量有效值部分方案一：利用高速ADC对电压进行采样，将一周期内的数据输入单片机并计算其均方根值，即可得出电压有效值：niiUNU121此方案具有抗干扰能力强、设计灵活、精度高等优点，但调试困难，高频时采样困难而且计算量大，增加了软件难度。方案二：对信号进行精密整流并积分，得到正弦电压的平均值，再进行ADC采样，利用平均值和有效值之间的简单换算关系，计算出有效值显示。只用了简单的整流滤波电路和单片机就可以完成交流信号有效值的测量。但此方法对非正弦波的测量会引起较大的误差。方案三：采用集成真有效值变换芯片，直接输出被测信号的真有效值。这样可以实现对任意波形的有效值测量。综上所述，我们采用方案三，变换芯片选用AD637。AD637是真有效值变换芯片，它可测量的信号有效值可高达7V，精度优于0.5％，且外围元件少，频带D/A单片机A/D测有效值PAPGA输入缓冲黄河科技学院毕业设计（文献综述）第4页宽，对于一个有效值为1V的信号，它的3dB带宽为8MHz,并且可以对输入信号的电平以dB形式指示，该方案硬件、软件简单，精度也很高，但不适用于高于8MHz的信号。此方案硬件易实现，并且8MHz以下时候测得的有效值的精度可以保证，在题目要求的通频带10kHz～6MHz内精度较高。8MHz以上输出信号可采用高频峰值检测的方法来测量，但是由于时间关系，高于8MHz的信号我们未能测量显示。4自动增益控制（AGC）利用单片机根据输出信号幅度调节增益。输出信号检波后经过简单2级RC滤波后由单片机采样，截止频率为100Hz。由于放大器通频带低端在1kHz，当工作频率为1kHz时，为保证在增益变化时输出波形失真较小，将AGC响应时间设定为10ms，用单片机定时器0来产生10ms中断进行输出有效值采样，增益控制电压也经过滤波后加在可变增益放大器上[5]。AGC控制范围理论上可达0～80dB，实际上由于输入端加了保护电路，在不同输出电压时AGC范围不一样，输出在4.5～5.5V时AGC范围约为70dB，而当输出为2V～2.5V时AGC范围可达80dB图3系统整体框图系统各模块电路的设计1输入缓冲和增益控制部分GV峰值测有效值输入缓冲90MHz宽带放大PGAPGA屏蔽盒D/A单片机A/D数码管和按键精密基准源低通滤波PA30MHz宽带放大同轴电缆功放电路隔离黄河科技学院毕业设计（文献综述）第5页图5输入缓冲和增益控制电路AD603的输入电阻只有100Ω，要满足输入电阻大于2.4kΩ的要求，必须加入输入缓冲部分用以提高输入阻抗；另外前级电路对整个电路的噪声影响非常大，必须尽量减少噪声。故采用高速低噪声电压反馈型运放OPA642作前级跟随，同时在输入端加上二极管过压保护[6]。如图5所示，输入部分先用电阻分压衰减，再由低噪声高速运放OPA642放大，整体上还是一个跟随器，二极管可以保护输入到OPA642的电压峰峰值的不超过其极限（2V）。其输入阻抗大于2.4kΩ。OPA642的增益带宽积为400MHz，这里放大3.4倍，100MHz以上的信号被衰减。输入输出端口P1，P2由同轴电缆连接，以防自激。级间耦合采用电解电容并联高频瓷片电容的方法，兼顾高频和低频信号[7]。增益控制部分装在屏蔽盒中，盒内采用多点接地和就近接地的方法避免自激，部分电容电阻采用贴片封装，使得输入级连线尽可能短。该部分采用AD603典型接法中通频带最宽的一种[8]，如图6所示，通频带为90MHz，增益为－10～+30dB，输入控制电压U的范围为－0.5～＋0.5V。黄河科技学院毕业设计（文献综述）第6页图6AD603接成90MHz带宽的典型方法增益和控制电压的关系为AG(dB)=40×U±10一级的控制范围只有40dB，使用两级串联，增益为AG(dB)=40×U1+40×U2±20增益范围是－20dB～+60dB，满足题目要求。由于两级放大电路幅频响应曲线相同，所以当两级AD603串联后，带宽会有所下降，串联前各级带宽为90MHz左右，两级放大电路串联后总的3db带宽对应着单级放大电路1.5db带宽，根据幅频响应曲线可得出级联后的总带宽为60M.。2功率放大部分电路如图7。参考音频放大器中驱动级电路，考虑到负载电阻为600Ω，输出有效值大于6V，而AD603输出最大有效值在2V左右，故选用两级三极管进行直流耦合和发射结直流负反馈来构建末级功率放大，第一级进行电压放大，整个功放电路的电压增益在这一级，第二级进行电压合成和电流放大，将第一级输出的双端信号变成单端信号，同时提高带负载的能力，如果需要更大的驱动能力则需要在后级增加三极管跟随器，实际上加上跟随器后通频带急剧下降，原因是跟随器的结电容被等效放大，当输入信号频率很高时，输出级直流电流很大而输出信号很小[9]。使用2级放大已足以满足题目的要求。选用NSC的2N3904和2N3906三极管（特征频率Tf＝250～300MHz）可达到25MHz的带宽。整个电路没有使用频率补偿，可对DC到20MHz的信号进行线性放大，在20MHz以下增益非常平稳，为稳定直流特性。我们将反馈回路用电容串联接地，加大直流负反馈，但这会使黄河科技学院毕业设计（文献综述）第7页低频响应变差，实际上这样做只是把通频带的低频下限频率从DC提高到1kHz，但电路的稳定性提高了很多。本电路放大倍数为：AG≈1＋R10/R9整个功放电路电压放大约10倍。通过调节R10来调节增益，根据电源电压调节R7可调节工作点。图7功率放大电路3控制部分这一部分由51系列单片机、A/D、D/A和基准源组成[10]，如图8所示。使用12位串行A/D芯片ADS7816和ADS7841（便于同时测量真有效值和峰值）和12位串行双D/A芯片TLV5618。基准源采用带隙基准电压源MC1403。图8数字部分框图结论在测试系统中，由传感器变换来的电信号通常是十分微弱的，若要显示、记A/D单片机D/A减法电路精密基准源黄河科技学院毕业设计（文献综述）第8页录或送计算机处理这种电信号，必须先进行放大，故放大器是测试系统中不可缺少的重要环节。随着电子技术的发展，对测试系统的精度要求越来越高，用分立元件组装成的放大器已被集成运放所代替。为了满足仪器仪表的需要，本设计对仪用放大器进行了研究。本论文通过对仪用放大电路的分析与研究，实现了增益控制、有源滤波和功率放大等特点。本论文从整体上分为三个部分，包括放大器的理论基础，基本仪用放大电路的理论分析，三种实用特殊仪用放大电路的分析与设计，直流电源等。在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路，亦称放大电路。由于其具有线性好、精度高、成本低等优点，所以应用范围非常广泛。通过本次毕业设计，使我对放大电路的相关知识有了全面和系统的认识，并在此基础上并且能够进行简单的电路设计。黄河科技学院毕业设计（文献综述）第9页参考文献[1]周雪.模拟电子技术[M].西安:西安电子科技大学,2002:117-119.[2]陈明.Protel99se原理图与pub设计教程[M].北京：机械工业出版社,2006:21-23.[3]阎石.数字电子技术基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社,1997:50-53.[4]杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].第二版，北京:高等教育出版社,1998:192-193237-238.[5]吴显鼎.集成电子电子线路设计手冊[M].福州:福建科技出版社,2003:7-1893-94.[6]清源计算机工作室.Protel99SE原理图与PCB及仿真[M].北京:机械工业出版社,2004:20-23.[7]童诗白.模拟电子技术基础[M]（第二版）.北京:高等教育出版社,1998:82-85.[8]李士雄,丁康源.数字集成电子技术教程[M].西安:工业出版社,2000:97-98.[9]中国集成电路大全委员会.中国集成电路大全——集成稳压器与非线性模拟集成电路[M].北京:国防工业出版社,1989:5-10.[10]杨颂华.数字电子技术基础[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000:8-9.[11]D.RoyChoudhuryandSnail