宽带放大器设计报告

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1、1宽带放大器设计报告宽带放大器设计报告武汉大学电子设计基地设计组第 1 组：许可 崔振威 谢超摘要摘要：本系统利用可变增益放大器 AD600 作为核心,通过模拟开关选通不同的控制电压的方式来达到增益步进 6dB,总增益从 0dB 到 30dB 的目的，其控制电压均由 2.5v 电压基 准 MAX873 经过精密电阻分压得到,有效的保证了控制电压的稳定度,获得良好的波形。前置 放大采用由 AD844 构成的正向放大器，可以有效的提高输入电阻,使输入电阻达到兆欧级别。 后级放大采用增益固定为 10dB 的同向放大器,从而使整个电路的增益能从 10dB 变化到 40dB，该放大器由高精度宽带运放 M

2、AX477 构成，在保证良好输出波形的同时,可以使输出 电压有效值大于 3V。前置放大和后级放大的输出均采用峰值检测电路检测出正半周最大电 压值，用于有效值的计算，采用 AD603 构成的 AGC 电路，在输入信号在 0.05V1.00V 内变 化时，能将输出有效值稳定在 2.052.6 V。整个系统的通频带为 1K14.6MHz。由 12 位 A/D 转换器 MAX197 对输出信号的峰值进行测量，分辨率达到 1mV 。AT89S52 和 CycloneFPGA 构成的单片机小系统板可以通过键盘，人为预置增益值来获取相应的放大倍 数，同时实时显示实际增益值、输出有效值和当前增益误差。整个系统

3、采用中文显示，界 面友好美观，控制方便。2一、方案论证与选择一、方案论证与选择1 1增益控制部分增益控制部分： 方案一方案一 采用普通宽带运算放大器组成的放大电路,同时由分立元件构成的 AGC 控制电路,通过包 络检波再反馈回放大器的方法来控制放大倍数,这种方法构成电路简单,但是反馈控制比较 困难，难以实现步进，精度也很低。 方案二方案二 采用集成可变增益放大器 AD600 作为增益控制。AD600 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 控制电压成线性关系,因此可以方便的采用控制电压的方式来控制放大器的增益.采

4、用 D/A 变换装置输出电压控制高速压控放大器 AD600 来实现增益的步进，采用此种方法可以获得 很小的步进。但是由这种方法得到的控制电压有一定的纹波，而芯片 AD600 对控制电压非 常敏感，微小的电压波动就能造成输出波形上下起伏，波形不佳。方案三方案三 主控芯片采用 AD600，利用电压基准源通过精密电阻分压得到各个增益值对应得控制 电压，在用模拟开关 CD4051 来选则不同的控制电压来达到控制增益的目的。电压基准源采 用 MAXIM 公司 2.5 V 基准 MAX873。经过比较，选用方案三。2 2有效值测量部分有效值测量部分方案一方案一 采用检波二极管构成的峰值检测电路，然后用 A

5、/D 转换器对其检测结果进行读数。峰 值检测的原理是当输入电压正半周通过时，检波管导通，对电容 C 充电，适当选择电容值， 使得电容放电速度大于充电速度，这样，电容两端的电压可以保持在最大电压处，该电压 通过一个用运算放大器构成的射极跟随器输出电压峰值。采用这种电路优点是频带响应宽， 频率越高检测反而越准确，且电路简单。但是由于检波二极管存在一定的导通压降，且为 非线性，测量精度低，小信号时尤其明显。同时电容值的选取也使得电路有一定的局限性， 如选取太大，放电时间过长，会改善输出电压发纹波，但是会导致该电路响应速度慢；如 果电容选的太小，放电时间过短，能改善电路的响应时间，但也会导致低频时输出

6、电压纹 波较大。方案二方案二 采用集成电路 AD637 作为有效值运算，它测量有效值的范围为 0-7V，精度优于 0.5%， 且外围元件少，频带宽，对于一个有效值为 1V 的信号，它的 3dB 带宽为 8MHz，并且可对 输入信号的电平以 dB 形式表示。该方案精度高，直接输出有效值，但电路稍复杂，且不适 合高频信号。经过比较，方案二中 AD637 对小信号测量具有很大优势，而方案一中在频带方面满足 要求，考虑到题目的频带范围和制作成本的因素，采用方案一。3 3自动增益控制部分（自动增益控制部分（AGCAGC）方案一方案一AGC 电路实际上是一个根据输出电压的动态的调整放大倍数，从而使输出稳定

7、在预定范 围的反馈型电路。根据该特点可以引入 CPU、A/D 和 D/A 转换器通过程序对放大倍数进行控3制，即数字式 AGC，此种 AGC 电路的输出范围完全由人为设定，可以很容易满足题目要求， 但是需要对输出的电压值进行不间断的采样，而且 D/A 转换器的位数直接决定了 AGC 电路 输出的稳定度，硬件组成方面比较复杂。方案二方案二 采用场效应管和宽带运放制作，信号进入自动增益控制电路后，放大电路输出的交流 电压经二极管和 RC 电路构成的包络检波器后，输出一个随平均电压变化的电压，用此电 压控制工作于可变电阻区的场效应管的栅极，改变场效应管的导通电阻，使放大倍数受输 入信号大小控制。当输

8、入信号强时自动减小放大倍数，信号弱时自动增大放大倍数，从而 实现了输出幅度的自动调整。特点在于电路简单，但频带范围较窄、精度低、输出波形也 不理想。 方案三方案三 采用可变增益放大器 AD603 作为放大部分，同时用由高频小功率管 2M3906、2M3904 构 成的包络检波、反馈电路来控制放大倍数，达到自动调整增益的目的。精度高，波形好， 但电路较复杂。考虑题目要求和现有的器件，本系统采用方案三。二、系统总体设计方案及实现方框图二、系统总体设计方案及实现方框图AT89S52 键盘液晶显示A/D(MAX197)VCA(AD600)AGC(AD603)峰值检测前级放大A/D后级放大峰值检测A/D

9、FPGA 控制电压发生电路信号输入AGC 输出放大输出4三、理论分析与计算三、理论分析与计算1 1电压控制增益原理电压控制增益原理 AD600 的基本增益为如下公式：G()20*20G dBVin其中，为差分输入电压，单位为伏，Vin是 AD603 的增益，单位为 dB 当=0.625()G dBVin伏时,为最大增益模式=40dB,当=-0.625()G dBVin伏时,为最小增益模式 G=40dB。其控制电压与增益 的关系如右图所示:2 2AGCAGC 电路的原理电路的原理AGC 是自动增益控制电路的简称,广泛用于收音机,电视机的信号接受和电平处理。其 特点为：当输入信号较强时，自动将增益

10、降低；当信号较弱时，又使其增益自动增高，从 而保证输出信号的相对稳定。AGC 电路大致上可以分为三种：前馈，反馈和混合型，分别如图 1，2，3 所示其中前馈电路收敛比反馈的要快，但是不稳定；混合型克服了前馈和反馈电路的缺点， 尤其适合用于快速衰落信道，但是电路复杂，功耗大，调试困难。 本系统中采用的是反馈型 AGC，核心部件使用 AD603。AD603 是美国 AD(Analug Devices)公司继 AD600 后推出的宽频带、低噪声、低畸变、高增益精度的压控 VGA 芯片。 可用于 RF/IF 系统中的 AGC 电路、视频增益控制,A/D 范围扩展和信号测量等系统中。 D603 内部结构

11、框图如下所示。AD603 由一个可通过外部反馈电路设置固定增益 GF(31. 0751. 07dB)的放大器、042.14dB 的宽带压控精密无源衰减器和 40dB / V 的线性增益控 制电路构成。AD603 利用了 X 一 AMP 拓扑结构 X 一 AMP 由一个 042. 14dB 的可变衰5减器及一个固定增益放大器构成。其中可变衰减器由一个七级 R-2R 梯形网络构成，每级 的衰减量为 6. 02dB，可对输入信号提供 0 42.14dB 的衰减。X-AMP 结构的一个重要优 点是其优越的噪声特 性，在 1MHz 带宽， 最大不失真输出为 1Vrms 时，输出信嗓 比 S/N 为 86

12、. 6dB 。工作原理工作原理 在 VOUT 为正半 周时 Q1 截止，在 VOUT 为负半周时 Q1 导通，流人 CAV 的平均电流 (温度在 300K 时, )，当增益控制电压处于稳21CAVQQIII590300ADIACAVV定状态时，在一个周期内 Q1 中的整流电流的平均值必须与保持平衡，如果 AD603 的输2QI出幅度太小以致于不满足该条件，则将迅速上升，引起增益提高，最终使 Q1 充分导CAVV 通。R2 的选取由带隙基准原理所确定，适当选择 R2 使之满足 VOUT= VBE + VR2 = 1.2V(即 VR2=5OOmV)时，VOUT 在较宽的温度范围内将是稳定的。对方波

13、而言，在输入信号的幅度稳定时，V-应保持稳定，则 Q 在导通的半个周期内发射极电流应为，于是600 A得 R2 = 833 欧,实际应用中是正弦波并非方波。R2 的推荐值为 806 欧。由于 Q2, R2 和 Q1 的配合使用，在很宽的温度范围内将使 VOLT 保持稳定。C2 用于改善频率特性。另外，改变 CAV 的值可改变 AGC 的时间常数,CAV 的取值一般在 0.1 1之间.F两片 AD603 以并联控制方式连接，两级的 GNEG 端并联接子 0.5V 的电平上，GPOS 端并 联，由半波检测电路的输出控制。两级的 VOUT 与 FBDK 之间均接 10k 欧电阻，即为模式二 工作方式

14、，其输出幅度为 1.2Vrms ,增益范围为 +3 +75dB 频带不小于 20MHz。具体电路 如下 图所示：63 3系统增益分配的问题系统增益分配的问题AD600 和 AD603 的输入电阻只有 100 欧姆，如果不加前置放大电路其输入阻抗显然不 满足题目要求，故采用由 AD844 接成的同向放大电路作为前级放大，其增益设置在 20dB， 输入电阻被提升到兆级（实测为 1.5M）,远大于题目所要求的 1K。 电路设计时在 AD600 前串入了一大小为 910 欧的电阻，由于 AD600 的输入电阻只有 100 欧，这样，实际输入 AD600 的信号幅度被衰减到了原来的十分之一，使前级放大倍

15、数 实际为 0dB，这样做的好处是降低了 AD844 的负载，有利于前置器放大工作的稳定。 由于 AD600 在5V 供电时最大输出只能达到 67V 的峰峰值，不能作为最后的输出， 故将其增益设定在 030dB，而后级则采用一个增益固定在 10dB 的正向放大器，考虑到输 出信号的幅度以及带负载能力，该电路的运算放大器使用宽频带，高精度运放 MAX477。四、主要功能电路的设计四、主要功能电路的设计1 1输入前级放大输入前级放大 为了满足输入电阻大于 1K，采用输入电阻很高的同向放大器作为输入的第一级，结合 题 目对通频带的要求最高在 8M，运算放大器选用宽频放大器 AD844。具体电路如下所

16、示：2 2可变增益部分可变增益部分该部分以集成可变增益放大器 AD600 为核心,AD600 的放大倍数为 dB 线性，它有一 个 电压控制端，通过改变控制端的电压就可以获得不同的放大倍数。,AD600 的性能参数如下 表所示：增益范围低输入噪声宽频带群时延输入电阻增益控制端输入电阻030dB 1.4nV/HzDC-35MHz2ns100 欧15M7从上述参数看到，该芯片的性能完全满足需要。据题目要求要实现六级步进，因此需要六 种控制电压。由于该芯片对控制端的输入电压非常敏感，充分的保证控制电压的稳定性是 极其重要的。实际上我们是通过基准源分压得到。在实现增益步进时，只需通过模拟开关 选择来选择不同的控制电压即可。具体电路如下图所示：按照 AD600 的特性,将第一脚(负增益控制)接-0.625V 计算出十六脚(正增益控制)控制电压分别为:增益增益0 dB 6 dB 12dB 18dB 24dB 30dB 控制电压控制电压0 V 0.1875V0.375V0.