1、1宽带直流放大器（C 题）【本科组】摘要本设计利用可变增益宽带放大器 AD603 来提高增益和扩大 AGC 控制范围，通过软件补偿减小增益调节的步进间隔和提高准确度。输入部分采用高速电压反馈型运放 OPA642 跟随器提高输入阻抗，并且在不影响性能的条件下给输入部分加了保护电路。使用了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激。功率输出部分采用分立元件搭建的甲乙类互补对称电路。整个系统通频带可达20MHz，最小增益 0dB，最大增益 70dB。增益步进 ldB， 60dB 以下预置增益与实际增益误差小于 0.2dB。关键词AGC；AD603；OPA642；功率放大；稳压电源2一、方案论证与比较1.
2、 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。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、精度够高就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。方案三 使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大
3、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（如图 2） 。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。综上所述，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。2.功率输出部分此部分采用分立元件对管 TIP41 与 TIP42 搭建的甲乙类互补对称电路。3.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
4、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3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。AGC 控制范围理论上可达 080dB，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 4.55.5V 时 AGC 范围约为70dB，而当输出为 22.5V 时 AGC 范围可达 80dB。二、理论分析与参数计算1电压控制增益的原理AD603 的基本增益为：Ga
5、in (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，只要单片机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。但若要用放大倍数来表示增益的话，则需将放大倍数经过复杂的对数运算转化为以 dB 为单位后再去控制 AD603 的增益，这样在计算过程中就引入了较大的运算误差。2. AGC 介绍AGC 是自动增益控制电路的简称，常用在收音机、电视机、录像机的信号接收和电平处理电路中。它的作用是当信号较强时，使其增益自动降低；当信号
6、较弱时，又使其增益自动增高，从而保证输出信号基本稳定。三、系统各模块电路的设计1.输入缓冲和增益控制部分输入缓冲和增益控制部分为输入缓冲和增益控制电路，由于 AD603 的输入电阻只有 100，要满足输入电阻大于 24k 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。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 的电压峰峰值不超过其极限(2V)。其输入阻抗大于 24k。OP
7、A642 的增益带宽积为400MHz，这里放大 34 倍，100MHz 以上的信号被衰减。输入输出端口 P1、P24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。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，通频带为 90MHz，增益为-10+30dB，输入控制电压 U 的范围为-05+05V。图 6 为 AD603 接成90MHz 带宽的典型方法。增益和控制电压的关系为：AG(dB)=40U+10，一级的控制范围只有 40dB
8、，使用两级串联，增益为 AG(dB)=40 Ul+40U2+20，增益范围是-20+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 15dB 带宽，根据幅频响应曲线可得出级联后的总带宽为60M。图 352.功率放大部分电路如图 4 所示。考虑到负载电阻为 50，输出有效值要大于 2V，所以电压仍需放大，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，选用音频开关三极管 TIP41 和 TIP42，他们的开关速率达到 3MHz，最大
9、电流为 6A，最大输出功率可达 65W，符合题目要求。图 43.控制部分这一部分由 51 系列单片机、D/A 和基准源组成。使用 8 位串行 D/A 芯片DA0832。4.稳压电源部分电源输出5V、18V 电压供给整个系统。电路图部分如下所示。6四、系统调试和测试结果1.测试方法将各部分电路连接起来，先调整 0dB，使输出信号幅度和输入信号幅度相等，然后接上 50 的负载电阻进行整机测试。1. 测试结果电压增益 AV40dB，输入电压有效值 Vi20mV。A V 可在 040dB 范围内手动连续调节。最大输出电压正弦波有效值 Vo2V，输出信号波形无明显失真。3dB 通频带 05MHz；在 0
10、4MHz 通频带内增益起伏1dB。最大电压增益AV60dB，输入电压有效值 Vi10 mV。最大输出电压正弦波有效值 Vo10V，输出信号波形无明显失真。7参 考 文 献1 美塞尔吉欧.佛朗哥著，基于运放放大器和模拟集成电路的电路设计，第三版，西安交通大学出版社，20092 华中科技大学电子技术课程组编，康光华主编. 电子技术基础.模拟部分.第 2 版.北京: 高等教育出版,20063 厚建军主编. 数字电子技术基础.第 2 版.北京:高等教育出版,20074 张毅刚主编. 单片机原理及应用.北京:高等教育出版,20045 李洋主编. 现在电子技术与创新.北京:中国电力出版社,20076 求是科技编著. 单片机典型模块设计实例导航。第 2 版.北京:人民邮电出版,2008
