通用可变增益放大器

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1、加密号:加密号：学校编号：NEFU-B-001学校名称：东北林业大学队员姓名：姚金龙连建君谭婷赛点负责人：教务处章：2008 年8月17日通用可变增益放大器（B题）摘要本着简单、准确、可靠、通用的原则，采用了分级设计匹配互连的思想。 本放大器系统分为前级放大部分、增益放大与控制电路部分、档位控制部分、 后级稳压输出部分四部分。全系统采用单一的模拟电路方式，通过前级放大部 分获得所需输入电压、输入阻抗等重要参数；通过拨码开关连接的反馈电阻进 行精密全局控制，获得20dB至40dB之间分辨力不低于0.1%的可变增益范围； 通过档位控制部分电路实现四个档位增益值转换，在衰减电路的作用下得到三 个档位

2、的增益值，即一20dB至0、0至20dR 20dB至40dB;最后通过后级稳压 输出部分获得输出幅度不低于士 8V的输出电压，此部分电路包括抑制零点漂移 的调零电路。通过验证，本系统可以对输出电压数值的漂移，零点漂移等不良 影响进行有效地抑制和降低。通过全面的调试和测量，使得本系统基本满足题 目的基本部分和发挥部分的要求并融入了自己的创新思想，设计出了一个可控 范围大、输出幅度高、稳定性好、抗干扰能力强、幅频特性好的通用可变增益 放大器。目录摘2目录3一、 方 案 论 证 与 比较 41 前级放大部分 42 、 增 益 放 大 与 衰 减 控 制 电路43 后级电压输出 5二、 系统设1总体设

3、计思路 52主 要 电 路 原 理 分 析 与 计算621、 前 级 放 大 电路 62.2增 益 放 大 与 控 制 电路623、档位控制电路 724、电压输出电路 7三、 系 统 测 试 方 法 与 测 试 数据81 测试仪器 82 测 试 方 法 与 测 试 数据83 .1测 前 级 放 大 电路 84 .2、 测 增 益 放 大 与 控 制 电2 . 3、各级电路调节好后，进行测量和详细记录 83 测试结果分析 93.1测 试 结 果 分析 93.2误差分析 933、测 试 心得 10四、总结 10一、方案论证与比较1、前级放大部分方案一：采用分立元件实现。此方案成本低，元器件易于得到

4、，但是设 计、调试难度过大，硬件电路连接与制作困难，在大赛规定的时间内很难保证 作品的可靠性和指标，因此不予采用。方案二：采用集成运放设计。此方案用可编程放大器芯片级联而成，电路简单，调试容易，指标和可靠性容易保证，因为 OP3的幅频特性差，当放大 倍数大于3时波形失真严重，THS3001的输入阻抗过低，经过多方面特性和通用 性的比较与实际检测，选用高速宽带集成芯片 OPA63何以满足此次放大器的设计要求，因此采用此方案。2、增益放大与衰减控制电路方案一：采用可编程放大器实现。此方案用单片机控制继电器，继电器控制相应的反馈电阻，四个档位，分辨力不低于0.1%,这对于单片机编程控制要求很高，而目

5、前的编程能力有限，因此不予采用。方案二：采用可编程控制放大器和衰减电路实现。此方案用单片机控制最后一档即1001000,得到0.1%的分辨力，用单片机的P 口的高低电平控制 继电器，因为各个档位之间是十倍的对应关系，所以将可编程放大器芯片输出 的信号接衰减电路，用拨码开关接通相应的衰减电阻，得到四个档位的增益变123456化，同时接有调零电路，很好的抑制了零点漂移，硬件电路连接方便，软件编 程容易实现，电路图如图一1所示，但是经过调试发现单片机的接入对整个放大 器电路的干扰特别大，为保证稳定性和可靠性，决定放弃此套方案，不予采用J11 234567890 1P1.0P1.1VDD P0.0/A

6、D039VCC405-5166121314|151-16171820380.1uFP1.2P0.1/AD1373433P1.7/SCKP0.6AD6RSTP0.7AD7P3.0/RXDCSW2524 CS45.SXTAL2P2.2/AD10XTAL1P2.1/AD9R1gndP2.0/AD833k1k_LP1.3P1.4P1.5/MOSIP1.6/MISOP3.4/T0P3.5/T1P2.6/AD14P2.5/AD13P2.4/AD12P2.3/AD11P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P3.6/WRP3.7/RD23 KEY22 DATEA/VPP ALE/PR

7、OGPSENP2.7/AD15BNC28=27=0.1uFP3.1/TXDP3.2/INT0-P3.3/INT1-3230-NpN?21 CLK89C55WD00.1uFNPN1CSW183.6367.2734.41.47k2.94k5.88k11.76k23.52k10uF999k10uF 0.1uF781090.1uF99k161514131211图一1程控增益放大与控制电路方案三：采用拨码开关实现。此方案用OPA637a大器芯片实现电压放TitleSizeNum berRevisionB5 / 15下载文档可编辑Date: 26-Aug-2010 阍= 申 Sheet 0flMFile:

8、C:DocumW? 蠲 Drawn B ySt Backup o123456大，方式为同相运算电路，放大电路的反馈为十个不同阻值的电阻串联而成， 电阻由拨码开关控制，按照二进制的方式将十个电阻进行组合接入电路，得到 在10100内分辨力为0.1%的放大倍数，因为各个档位之间是十倍的对应关系, 所以将放大器芯片输出的信号接衰减电路，用拨码开关接通相应的衰减电阻， 得到四个档位的增益变化，同时接有调零电路，很好的抑制了零点漂移，硬件 电路连接与制作简单，而且不会造成很大干扰，指标和可靠性容易保证，经过 慎重考虑决定采用此方案。3、后级电压输出方案一：采用分离元件实现。为保证高频端放大器的稳定性和带

9、内幅度的 1234平坦度，电压放大输出模块采用分立元器件构成的互补推挽和深度电压串联负 反馈电路形式，得到较高的输出电压范围和相应的输出阻抗，分离元件的物理 特性容易满足，性能比较稳定，连接电路图如图一 2所示，但是经过试验调试, 此方案与前级放大器级联会使波形产生严重的失真，因此不予采用。图一2后级电压输出电路图方案二：采用集成芯片实现。根据题目要求，放大器输出阻抗可开关设置A为50Q或0,所以在后级输出部分级联一个电压跟随器，通过比较，AD81神目比于OPA637JB更好的满足题目的要求，因此采用此方案。二、系统设计1、总体设计思路图一3系统总体框图根据题目的要求，结合考虑过的各种方案，充

10、分发挥其优势，采用拨码 开关预置和控制放大器增益的方法，大大提高了系统的精度和可控性；系统前 端增益放大部分需设一级OPA63混控增益放大器，实现输入阻抗变换和增益放 大，同时接入了过压保护电路；根据增益步进的要求，需要采用拨码开关按照 二进制方式控制增益值，再通过衰减电路获得三个档位增益，根据输出电压幅 度和输出阻抗的要求，后级电压输出采用 AD817连成电压跟随器的方式，于是 系统总体设计方案如图一3所示。输入信号通过转换开关获得大于 10M或50的输入阻抗，并连接过压 保护功能电路，前级放大电路运用 OPA637K片获得高性能的放大信号，此时的 放大倍数为10倍，中间级芯片的反馈是由拨码

11、开关控制的电阻构成，控制电路 的放大倍数为1 10,通过二进制的方式获得 0.1%的步进增益值，以满足题目 要求，输出的信号再经过由拨码开关控制的衰减电路，获得三个不同档位增益， 最后再由放大器芯片组成的稳压输出电路获得高输出幅值和所需输出阻抗，其 中含有抑制零点漂移的调零电路，再运用衰减控制电路得到其它档位增益值，整体电路成本低，电路工艺简单而独特2、主要电路原理分析与计算2. 1、前级放大电路 D本部分运用一片OPA63藻成芯片级联而成，为满足输入阻抗可开关设置 为大于10MD或50Q,将50Q的电阻用开关控制接入电路，因为OPA63正由高 阻抗的CMO管构成，所以用一个 OPA63河以获

12、得高阻抗，并连有两个二极管构成过压保护电路，电路图如图一4所示图一4十倍增益放大电路放大倍数计算：已知 A=1+Rf/R0, Rf=9kQ , R0=1kQ,可以计算出 A=10当接R1时,有A=12.25。a2. 2、增益放大与控制电路本部分电路由OPA637放大器构成的集成运放电路。此处的运放得到的增益范围是1 10,集成运放的反馈部分由拨码开关接有十个电阻，采用二进制计数的方式进行组合得到0.1%的步进增益值，因此只需计算出第一个电阻值就可以知道其它阻值了，如需要接通Rn (n = 09 ),则将对应的开关断开即将对应电阻接入电路反馈端，如要得到 1.009的增益，由A =1+R1/R0

13、, R0 =1KQ,计 算得到 R1=9Q,由二进制的特点可以算出 R2=2R1 = 1，R10=2R9=4608Q;放大倍数为An = T+Rn/R0,得到n=(An-1)*100 ,再将n值转换成二进制值对应到开关和电阻，表一1例举了几个典型的增益电阻组合(其中“1”对应位的 电阻接入电路作为负载)。电路图如图一5所示。G=10000000000G=60111110100G=20001100100G=71001011000G=30011001000G=81010111100G=40100101100G=91100100000G=50110010000G=101110000100表一1增益电

14、阻组合表2. 3、档位控制电路TitleSizeBDate:File:(5档位衰减控制电路采用电阻串联的形式连接拨码开关，电路如图一6所示，开关控制增益的三个档位范围，不衰减时输出值第三档最大是100,第二档最大是 10,第一档最大是 1, R1/ (R1+R2+R3+R4= (100 -10)/10, (R1+R2)/(R1+R2+R3+R4=(100-1)/1 , (R1+R2+R3)/ (R1+R2+R3+R4= (100-0.1 ) /0.1 ,令 R3=51g,贝U可以计算出 R1=51KD , R2=5.1KQ , R4=56.7Q图一6档位控制电路图42. 4、电压输出电路图一7电压输出电路为了保证放大器在低频及直流最大不失真输入的情况下获得较高的输出幅值，在高增益宽带宽的前提下控制输出信号幅度的波动范围，较小输出波 形的失真度，电压放大电路部分采用 AD817的电压跟随器的电路形式，得到较ATitleSize