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1、宽带放大器摘 要 本作品基于压控对数放大器设计，由主放大及输入输出电路、增益控制电路、显示及处理模块、测量电路和电源模块组成，具有宽带数字程控和数字AGC功能。其中的AD603的使用方便了程控增益，AD844的使用提高了输出电压的有效值范围。由于综合应用了电容去耦、磁珠滤波等降噪措施，较好地抑制了放大器的噪声。 关键词： 压控对数放大器 宽带数字程控 数字AGC 降噪一：方案比较与论证分析题目要求，我们将本设计分为：主放大电路及输入输出电路、增益控制、键盘显示及处理、测量和稳压电源五大功能模块。各模块间的关系如图1-1所示。 输入电路主放大电路键盘显示和处理模块增益控制电路输出电路测量电路稳压
2、电源220VV 图1-1 各模块的关系 1主放大器及输入输出电路 方案一：采用分立元件设计。此方案元器件成本低，易于购置。但是设计、调试难度太大，周期很长，尤其是短时间内手工制作难以保证可靠性及指标，故不采用此方案。 方案二：采用高速宽带集成运放设计。此方案优势是电路容易实现，指标和可靠性容易得到保证。故采用此方案。2增益控制电路方案一：采用场效应管或三极管控制增益。主要利用场效应管的可变电阻区（或三极管等效为压控电阻）实现增益控制，电路简单，调试复杂。方案二：采用高速乘法器型D/A实现。利用D/A转换器的VRef作信号的输入端，D/A的输出端做输出。用D/A转换器的数字量输入端控制传输衰减实
3、现增益控制。此方案简单易行，但经实验知：当信号频率较高时，系统容易发生自激，因此不选此方案。 方案三：利用能够压控增益的放大器实现。其特点是可以用单片机方便地预置增益。由于主放大器可以找到压控增益的器件，本系统采用方案三。3. 有效值测量电路 方案一：采用真有效值转换器件测量，此方案电路简单、精度高。但价格较贵，同时器件难找。现有的有效值转换器件如AD637、AD737在较高频率段无法满足本题测量要求。 方案二：采用峰值检波测量。采用峰值检波电路，检出峰值经A/D转换后由单片机转换为有效值。电路简单可靠，但前提是信号是正弦波，否则误差较大。考虑到本题要求测量的是标准正弦波，因此选择本方案。4.
4、 稳压电源 方案一：线性稳压电源。其中包括并联型和串联型两种结构。并联型电路复杂，效率低，仅用于对调整速率和精度要求较高的场合；串联型电路比较简单，效率较高，尤其是若采用集成三端稳压器，更是方便可靠。 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几十几百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。 电源模块选择方案一中的串联型稳压电源。总体系统框图如图1-2所示。 输入缓冲BUF634压控对数放大器 AD603输出级AD844A/D51MCU峰值检波D/A电源模块220VV显示键盘掉电保护输入输出 图1-2 系统框图二理论分析与参数计算 放大器链路
5、的组成如图2-1所示：输入BUF634AD603AD603AD844输出R1.5kG1=0dBG2=-6dBG3m=30dBG4m=30dBG5=17.8dBB1=30MHzB2=90MHzB3=90MHzB4=20MHzB= 图2-1 主放大器电路图 图中注明了设计中每级增益的分配，并在下方依据器件的官方资料给出了各级-3dB通频带的上限。1 通频带计算如图2-1，系统通频带由BUF634缓冲器、两级AD603放大器和AD844放大器共同决定，由频率响应公式可知系统增益与频率的关系如下： (式2-1) 式中：, , ，为器件资料中相应运放的通频带，为放大链路中各级放大器的中频电压放大倍数。经
6、计算，系统3dB带宽，符合设计要求。 2增益控制范围及精度为实现60dB放大能力，本设计采取两级AD603级联和后级AD844放大电路的增益分配方式。依据资料，AD603采用的是增益为-11dB31dB、带宽90MHz的工作方式，其每级增益为： GAD603（dB）=40Vg+10 （式2-2） 式中，Vg为AD603的增益控制电压，范围为-0.50V0.50V。按图3-3接法，AD844放大电路增益为17.8dB ,前级输入衰减6dB, 所以整个放大器的增益为： G（dB）=2GAD603+17.8-6=80Vg+31.8 （式2-3） Vg的变化范围为-0.50.5V，因此理论上的增益控制
7、范围为-8.271.8 dB。单片机通过D/A的输出电压控制AD603的增益，若采用的是8位D/A转换器，则D/A输入值KDA与AD603控制电压的对应关系为： （式2-4） 式中，KDA为D/A的输入值。由式2-3及式2-4可知增益G与D/A输入值KDA的对应关系为： （式2-5） 则可得增益控制的理论精度为： （式2-6）由以上分析可知，该电路满足对增益控制范围及精度的指标要求。3自动增益控制范围AGC范围的计算式为： G=20log（Vs2/Vs1）-20log(VOH/VOL) （式2-7） 式中，Vs2、Vs1分别为输入信号的最大和最小值；VOH、VOL分别为输出的最大和最小值。 由
8、式2-7推知，当输入信号的有效值为0.0012VVi2.0V时，要保证输出电压有效值为4.5VVO5.5V，则AGC范围为64dB。图2-2给出了放大器在进入AGC模式后的传输特性在matlab中的仿真结果。由图知，此功能满足题目要求。 图2-24系统噪声 本系统噪声主要由输入端电阻热噪声、BUF634电路噪声、AD603电路噪声及AD844电路噪声等引起。在最高增益60dB状态下，对系统各级噪声分别进行近似计算： = （式2-8） = （式2-9） = （式2-10） = （式2-11） = （式2-12）在式（2-8）（2-12）中：取K=、T=300K、R=、B=90MHz；、和表示各器
9、件噪声系数，分别为4、1.3，1.3和2；B1、B2、B3、B4和 G1、G2、G3m、G4m分别表示各器件的带宽和增益，具体数值如图2-1所示。由此进一步可推知，系统噪声有效值及峰峰值分别为：=0.054V（式2-13） Un峰峰=0.153V （式2-14） 由以上分析可知，该电路可满足题目对噪声的指标要求。 5.运放之间的耦合电容AD603的输入阻抗为100，为了保证9KHz以上的信号通过，把高通滤波的截止频率设置为8KHz。由 可得，两个AD603之间应该加的电容的大小为：C2=199nF （式2-15）选标称值 C2=330 nF。 在BUF634与AD603之间所加的电容值为：C1
10、= 99nF （式2-16） 为了留一定的余量，取标称值C1=220 nF 同理可得，在AD603与AD844之间的电容为：C3=220 nF 三、单元电路设计与实现 综合分析本题目的基本要求和发挥部分要求，我们确定的总设计目标为完成题目全部功能和指标。各单元电路设计如下： 1. 输入缓冲电路 为了使输入阻抗 1K，带宽8KHz10MHz，采用BB公司的BUF634来完成，本级增益为0dB 。具体电路图如下所示： 图3-1 输入缓冲级电路图考虑到通频带带宽的要求以及降低缓冲级的输入噪声，BUF634选用30MHz带宽的电路连接形式。BUF634具有高输入阻抗，为了降低系统引入的噪声和干扰，并且
11、满足输入阻抗大于，在BUF634的输入端对地并接一电阻。BUF634的输出端串接一100电阻，与后级AD603的输入阻抗（100）构成一衰减倍数为0.5的衰减器，以保证输入信号有较大的范围。2主放大电路此电路可以由ADI公司的AD603完成。AD603在宽频带工作模式下，增益控制范围为-11dB+31dB ，且控制电压与增益dB 数成线性关系，为达到设计目标可用两级级联。AD603的噪声谱密度只有1.3 ，能够满足低噪声的设计要求。 图3-2 主放大电路其具体电路如上图2-2所示，其每级增益为 （式3-1）其中，为AD603的增益控制电压，单位伏特，范围-0.50V0.50V。故两级AD603
12、的可控增益范围为-22dB62dB，可以保证本电路有较大的增益预置范围和AGC控制范围。3 输出级放大电路本级采用AD844放大电路完成，AD844具有高达2000V/us的压摆率和很强的带负载能力，开环输出电阻15，在电源为15V、负载电阻为600时，就能够使输出电压的有效值达到8.40V。AD844的全功率带宽为20MHz,满足放大器带宽的要求。电路如图2-3所示。图 3-3 输出级电路 鉴于主放大器AD603的最大输出电压为2.5V，AD844输出阻抗约为15，为确保在600电阻负载上输出8.5V,则设计此级增益至少为： （式3-2）调试完成后，测得增益为7.67倍，即17.7dB。4 增益控制电路采用AD7528实现。电路图如图3-4所示。 图3-4 增益控制电路1 有效值测量电路该电路由峰值检波（输出时电阻分压）和A/D转换电路实现。具体电路如图3-5所示。 图3-5 图3-5中，R1的作用是把检波电路输出的电压范围
