宽带放大器的设计与实现

兰州商学院本科生毕业论文（设计）论文（设计）题目：宽带放大器的设计与实现学院、系：信息工程学院计算机与电子工程专业(方向)：电子信息工程年级、班：2009级电子信息工程（1）班学生姓名：张忠银指导教师：彭会萍_______年月日声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师的指导下取得的成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业论文（设计）引起的法律结果完全由本人承担。本毕业论文（设计）成果归兰州商学院所有。特此声明毕业论文（设计）作者签名：年月日I宽带放大器的设计与实现摘要本宽带放大器以可编程增益放大器AD603为核心，主要由三个模块电路构成:前级输入缓冲及增益放大电路、后级功率放大电路、AGC自动增益控制电路。此宽带放大器AGC具有理论上65dB的动态范围，90MHz的带宽，输入阻抗≥1千欧，单端输入单端输出，放大器负载电阻600欧，最大输出电压有效值≥3V。检波电路采用三极管检波，成本低廉，调试简单。本设计输入缓冲及增益放大部分采用集成电路，电路形式简单且调试容易，频带宽，增益高，AGC动态范围宽，且增益可调。关键词:自动增益控制CAT5114OP07AD603IIABSTRACTThebroadbandamplifierwiththeprogrammablegainamplifierAD603asthecore,ismainlycomposedofthreemodularcircuits:pre-ampinputbufferandgainamplificationcircuit,post-amppoweramplificationcircuit,andAGCautomaticgaincontrolcircuit.Thecircuitconsistsofthreelevelsofamplifier.ThisbroadbandamplifierAGChasatheoreticaldynamicrangeof65dB,90MHzbandwidth.Inputimpedancep1000Europe,theoclinputone-portoutput,amplifierloadresistor600Europe,maximumoutputvoltageRMS3Vp.Itsdetectorcircuitisaudiondetector,whichhaslowcostandeasyadjustment.Becauseofbroadbandamplifier’subiquitousdrawbacksofself-excitationandtoobigoutputnoise,thissystemusesvariousformsofshieldingtoreducetheinterference,andsuppressthenoise,tofinallyimprovethesystemperformance.Thisdesignadoptsintegratedcircuits,whicharesimpleinformandeasytodebug.IthaslargefrequencybandwidthandwideAGCdynamicrange,aswellashighandadjustablegain.[KeyWords]Automaticgaincontrolamplifier，AD603，Post-amppoweramplificationcircuitIII目录1宽带放大器的设计师与实现一、引言（一）宽带放大器的概述工作频率上限与下限之比甚大于1的放大电路称作宽带放大器。习惯上也常把相对频带宽度大于20%~30%的放大器列入此类。这类电路主要用于对视频信号、脉冲信号或射频信号的放大。用于电视图像信号放大的视频放大器是一种典型的基带型宽带放大器，所放大的信号的频率范围可以从几赫或几十赫的低频直到几兆赫或几百兆赫的高频。这类放大器通常以电阻器为放大器的负载，以电容器作级间藕合。为了扩展带宽，除了使其增益较低以外，通常还需要采用高频和低频补偿措施，以使放大器的增益-频率特性曲线的平坦部分向两端延展。可以归入宽带放大器的还有用于时分多路通信、示波器、数字电路等方面的基带放大器或脉冲放大器(带宽从几赫到几十或几百兆赫)，用于测量仪器的直流放大器(带宽从直流到几千赫或更高)，以及音响设备中的高保真度音频放大器(带宽从几百赫到几十千赫)等。用于射频信号放大的宽带放大器(大多属于带通型)，如雷达或通信接收机中的中频放大器，其中心频率为几百兆赫或几千兆赫，通带宽带可达中心频率的百分之几十。随着社会生产力的发展，人们迫切地要求能够远距离随时随地迅速而准确地传送多媒体信息。于是无线通信技术得到了迅猛的发展，技术也越来越成熟。而宽带放大器是上述通信系统和其它电子系统必不可少的一部分。由此可知，宽带放大器在通信系统中起到非常重要的作用，于是.人们也对它的要求一也越来越高。宽带放大器是音响、2有线电视、无线通信等系统中必不可少的部分。随着电子技术的发展及其应用的日益广泛，被处理信号的频带越来越宽。例如在电视接收机中，由于图像信号占有的频率范围为0~6MHz。为了不失真地进行放大，要求放大器的工作频率至少50Hz~5MHz，最好是0~6MHz。再如，在300MHz的宽带示波器中，Y轴放大器需要具有0~300MHz的通频带。放大这类信号的宽带放大器称为视频放大器。在雷达和通信系统中，也需要传输和放大宽频带信号。例如，同时传输一路电视和几百路电话信号的微波多路通信设备，放大器的通频带约需200MHz。若设备的中频选为70MHz，则相对通频带达30%左右，这就需要宽频带的中频放大器。而雷达系统中信号的频带可达几千兆赫。要放大这样的信号，就更需要采用宽带放大器。虽然宽带放大器的下限频率低，但由于其上限频率很高，因此三极管必须采用特征频率很高的高频管，分析电路时也必须考虑三极管的高频特性。宽带放大器，从技术上讲，比一般低频放大器要求高。这不仅因为它的频带宽，而且还由于它所放大的信号，最终接受的感觉器官往往是眼睛，而不是耳朵。前者比后者敏感得多。所以，在低频放大器中未考虑的一些问题，例如相位失真等，在宽带放大器中就必须予以考虑。不同用途的宽带放大器其电路形式有所不同，大体上可分为两种情况。放大从零频到高频信号的宽带放大器，一般采用直接耦合的直流放大器;放大从低频到高频信号的宽带放大器，多采用阻容耦合放大器。但不管哪一类宽频带放大器，由于频带宽，负载总是非调谐的。随着社会生产力的发展，人们迫切地要求能够远距离随时随地迅速而3准确地传送多媒体信息。于是，无线通信技术得到了迅猛的发展，技术也越来越成熟。而宽带放大器是上述通信系统和其它电子系统必不可少的一部分。由此可知，宽带放大器在通信系统中起到非常重要的作用，于是人们对它的要求也越来越高。宽带放大器是音响、有线电视、无线通信等系统中必不可少的部分。（二）本课题设计的意义根据题目对放大电路增益可控的要求，考虑直接选可调增益的运放实现，所以增益控制部分选定采用可控增益放大器AD603，AD603为单通道、低噪声、增益变化范围线性连续可调的可控增益放大器，它的显著特点是增益可变，并且增益变化的范围也可变，不同的频带宽度决定不同的增益变化的范围。频带宽度是由管脚的不同连接决定的，本设计使用带宽为20MHz。为了实现10dB至60dB增益调节范围的要求，分别采用了两级AD6O3级联的方法，作为前级增益放大的主体部分，可以分别实现对正弦信号的放大和衰减。AD603的基本增益为：Gain(dB)=40VG+10，其中，VG是差分输入电压,单位是V，Gain是AD603的基本增益,单位是dB。从此式可以看出，以dB作单位的对数增益和电压之间是线性的关系。由此可以得出，只要进行简单的线性计算就可以控制对数增益，增益步进可以很准确地实现。根据最后对做出的仿真调试，本设计充分完成了设计要求，满足通频带指标的同时，实现了增益可调。本课题的设计扩展了宽带放大器的在技术领域的用途，提高了利用率，满足了技术要求，对我们的技术水平起到了一定的推进作用。4二、技术指标宽带放大器的主要技术指标主要有以下多项。（一）通频带通频带是基本指标，由于用途不同对其要求也不同。因为下限频率很低，而上限频率很高，往往就用上限频率表示频率宽度。当下限频率接近零时就必须注明它的下限频率值，以便在设计电路时，充分考虑下限频率的顺利通过。（二）增益带放大器的增益应足够高，但增益与宽带的要求往往相互矛盾，有时候不得不通过牺牲增益来得到宽带。为了全而衡量放大器的质量指标，常需考虑放大器的增益宽带积(GB)。GB值越大，宽带放大器的质量越高。（三）输入阻抗为了减轻宽带放大器对前级的影响，要求放大器的输入阻抗高。高质量的宽带放大器的输入阻抗一般为兆欧级。（四）失真宽带放大器的失真要小，失真包括；非线性失真、频率失真和相位失真。为减小非线性失真，宽带放大器和音频放大器一样，都应该工作在器件特性曲线的直线段，而且应工作在甲类状态。产生频率失真的原因是由于三极管在高频时的电容效应，以及外电路中存在的电抗元件。由此使宽带放大器对不同频率的信号增益不同，从而引起频率失真。而不产生相位5失真的条件则是各频率分量的时延时间相等。如:在电视接收机中，相位失真会使显示的图像色调失真、出现双重轮廓、画而亮度不均匀等故障。（五）全功率带宽BW全功率带宽定义为，在额定的负载时，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦大信号输入到运放的输入端，使运放输出幅度达到最大（允许一定失真）的信号频率。这个频率受到运放转换速率的限制。近似地，全功率带宽=转换速率/2πVop（Vop是运放的峰值输出幅度）。全功率带宽是一个很重要的指标，用于大信号处理中运放选型。（六）等效输入噪声电压等效输入噪声电压定义为，屏蔽良好、无信号输入的的运放，在其输出端产生的任何交流无规则的干扰电压。这个噪声电压折算到运放输入端时，就称为运放输入噪声电压（有时也用噪声电流表示）。对于宽带噪声，普通运放的输入噪声电压有效值约10~20μV。三、设计要求设计制作的技术指标要求：（一）基本要求1.输入阻抗≥1千欧;单端输入，单端输出;放大器负载电阻600欧。2.3dB通频带10kHz~20MHz。3.最大增益≥60dB。4.最大输出电压有效值≥3V。6（二）发挥部分1．最大输出电压有效值≥6V。2．最大增益≥68dB(3dB通频带10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz频带内增益起伏≤1dB)，增益调节范围10dB～58dB（增益值9级可调，步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB），需显示预置增益值。3．增加自动增益控制（AGC）功能，AGC范围≥20dB，在AGC稳定范围内输出电压有效值应稳定在4.5V≤Vo≤5.5V内。4．输出噪声电压峰-峰值VoN≤0.5V。5．进一步扩展通频带、提高增益、提高输出电压幅度、扩大AGC范围、减小增益调节步进间隔。6．其它。四、方案论证与比较（一）增益放大部分方案一简单的放大电路可以由三极管搭接的放大电路实现,图1为分立元件放大器电路图。为了满足增益40dB的要求,可以采用多级放大电路实现。对电路输出用二极管检波产生反馈电压调节前级电路实现自动增益的调节。本方案由于大量采用分立元件,如三极管等,电路比较复杂,工作点难于调整,尤其增益的定量调节非常困难。此外,由于采用多级放大,电路稳定性差,容易产生自激现象。7方案二原理框图如图2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。图1分立元件放大器电路图图2场效应管放大器电路图8方案三为了易于实现最大40dB增益的调节,可以采用D/A芯片AD7520的电阻权网络改变反馈电压进而控制电路增益。又考虑到AD7520是一