寬帶直流放大器〔C題〕摘要本系統以兩級直接耦合的可控增益放大器AD603為核心，外加跟隨器OPA642和電壓放大器AD811配合，實現了增益可調的寬帶直流放大器。系統主要由四個模塊構成：前置放大電路、可控增益放大電路、后級功率放大電路、單片機顯示控制模塊。可控增益放大電路由兩級直接耦合的可控增益放大器AD603構成，可實現-20dB到40dB的增益調節范圍，配合AD811的固定增益實現0dB到60dB的增益調節范圍；后級功率放大電路由高速緩沖器BUF634擴大輸出電流，提升放大器的帶負載能力。第二級AD603與固定增益模塊間參加直流偏移調零模塊，最大限度地減小了整個放大器的直流偏移。為解決寬帶放大器自激問題及減小輸出噪聲，本系統采用多種形式的抗干擾措施，抑制噪聲，改善放大器的定性。關鍵詞：寬帶放大器，可控增益，調零電路，固定增益，功率放大一、系統方案1.方案比擬與選擇〔1〕可控增益放大方案一：采用可編程放大器的思想，將輸入交流信號作為高速DAC的基準電壓，用DAC的電阻網絡構成運放反應網絡的一局部，通過改變DAC數字控制量實現增益控制。理論上講，只要DAC的速度足夠快、精度足夠高就可以實現很寬范圍的精密增益控制，但是控制的數字量和最后的20dB不成線性關系而成指數關系，造成增益調節不均勻，精度下降，因此不選用此方案。方案二：選用兩級集成可控增益放大器直接耦合作為增益控制，集成可控增益放大器的增益與控制電壓成線性關系，控制電壓由單片機控制DAC產生。單級集成可控增益放大器AD603具有-10dB到+30dBdB的增益控制范圍，兩級級聯后理論上可到達-20dB到+60dB的增益控制范圍，精度到達0.5dB,帶寬90MHz，可以滿足題目指標要求。采用集成可控增益放大器AD603實現增益控制，外圍電路簡單，便于調試，而且具有較高的增益調節范圍和精度，故采用此方案。〔2〕功率放大電路方案一：采用分立元件實現寬帶功率放大器，可以實現較大輸出電壓，但需采用多級高頻放大電路，受電路分布參數影響，調試難度大，帶寬難以保證，所以不選用此方案。方案二：采用單片集成寬帶運算放大器提供較高的輸出電壓,再由高速緩沖器BUF634實現擴流輸出,提升放大器帶負載能力。此方案電路較簡單,容易調試,故采用此方案.〔3〕低通濾波器方案論證方案一：采用有源濾波器，通帶內沒有可以沒有能量損耗，電路相對有源濾波復雜，需要直流電源供電。方案二：采用無源低通LC濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構成的。無源LC濾波器的優點是電路比擬簡單，不需要直流電源供電，可靠性高，為了使通帶盡量平坦，選用了通帶比擬平坦的巴特沃斯濾波器。同時在濾波器后參加固定增益放大器，彌補信號通過濾波器時幅度的衰減。2.方案描述電源電源輸入緩沖OPA642〔0dB〕壓控增益放大器AD603(-10-20dB)壓控增益放大器AD603(-10-20dB)系統框圖如圖1所示，系統主要由五個模塊構成：前置放大電路、可控增益放大電路、低通濾波電路、后級功率放大電路、單片機顯示控制模塊。系統增益調節范圍為0～60dB，可控增益放大電路由兩級AD603構成，實現了-20～40dB的增益調節范圍。前級放大電路增益為0dB,由OPA642作為電壓跟隨器，實現輸入阻抗匹配，增大了后級輸入電壓。后級功率放大電路增益為20dB,由電流反應型運放AD811和THS3001串聯提供較高的輸出電壓，再通過多個緩沖器BUF634并聯,擴大輸出電流，提升放大器的帶負載能力，實現了在50歐姆負載上輸出10V有效值。系統具有增益預置并顯示和增益手動連續調節功能，還通過檔位切換和無源低通濾波電路，實現了帶寬預置并顯示功能。二、理論分析與計算1.增益分配本系統以可控增益放大器AD603為核心，兩級級聯其增益調節范圍理論值為-20～60dB，其它各單元電路都是根據AD603及題目要求設計。題目要求最大增益要大于60dB，最大輸出電壓有效值大于等于10V，輸入電壓有效值小于等于10mV,而中間級采用的可控增益放大器對輸入電壓和輸出電壓均有限制，所以，必須合理分配各級放大器的放大倍數。AD603增益與電平關系為：GAD603〔dB〕=40Vc+10。式中，Vc為AD603的增益控制電壓，范圍為-0.5V～0.5V,最大輸出電壓峰峰值為3Vpp，假設要實現發揮局部的輸出電壓有效值大于等于10V的要求，即輸出電壓峰峰值Vpp-min＝2×10×2＝28.28V，為得到最大輸出電壓,那么后級放大至少要有7.86倍。考慮到濾波器對電壓的衰減，后級放大取26dB。那么兩級AD603取-20～40dB的增益調節范圍，式系統實現0~60dB的調節范圍。為實現輸入阻抗匹配，系統第一級為輸入緩沖級，由OPA642構成跟隨器。2.帶寬增益積分析題目要求的9MHz時通頻帶內紋波小于1dB，實際上意味著放大器的1dB帶寬要到達9MHz以上，帶寬限制通過單獨的濾波器實現。壓控放大器AD603的帶寬為90MHz，前級跟隨器我們選擇了具有210MHz增益帶寬積的運放OPA642，使得壓控放大器到達帶寬要求。功放局部采用的芯片為帶寬為的電流反應性運放AD811和帶寬配置成180MHz的緩沖器BUF634，以上措施使得整個系統除濾波器以外的1dB帶寬大于9MHz。3.通頻帶起伏分析通頻帶起伏分析由前述可知，在系統總體的通頻帶內，通頻帶起伏僅由濾波器的通頻帶內起伏決定，在-3dB通頻帶為10MHz時，在9MHz處的衰減小于-1dB，故需要做一個比擬陡峭的濾波器來實現，由濾波器設計軟件FilterSolution設計仿真得到，利用4階LC低通濾波器的邊緣特性可到達要求。5.線性相位采用模擬濾波器，只有貝塞爾濾波器能到達近似線性相位，但其缺點是阻帶邊緣過于平緩，要實現題目要求的特性，濾波器的階數會很高。我們使用的4階LC濾波器并不能到達線性相移。由于題沒有對放大器的相頻特性做出要求，我們還是使用了4階LC濾波器。6.抑制直流零點漂移抑制零點漂移的主要方法是要使系統工作在一個溫度相對定的環境中。在布局布線中讓芯片盡量遠離熱源，并選用零漂小的芯片。因為題目要求在0Hz時帶內的起伏要到達小于1dB,即誤差要控制在12%以內。當在增益為60dB，輸入信號為有效值10mV時，即可得最后輸出零點漂移電壓要小于10mV×60dB×12%=1.2V。我們可以假設外部溫度控制在10℃以內，同時取極限最差情況：所有漂移都被放大60dB，那么可計算出零點漂移為：0.12mV/℃7.放大器穩定性由于本系統的放大倍數非常大，后級的信號耦合到前級后很容易引起自激震蕩。為提高放大器的定性，需要注意的是要盡量做好電源退耦，特別是由于本系統的帶寬比擬寬，信號有可能通過電源線相互耦合，為了防止電源線引起的干擾，我們在每個芯片的電源線上使用去耦電容。在運放的連接中，反應電阻要盡量靠近輸入引腳，防止反應回路中的分布電容引入反應回路中的極點，引起自激。除此之外在電路布局中使輸入級電路與輸出級電路遠離，防止耦合。三、電路與程序設計1．電路設計(4)電源電路(1)前置放大電路前置放大電路使用電壓跟隨器實現，此前置放大電路還具有緩沖、隔離的功能，其電壓增益接近于1，輸入電阻為50。(2)壓控放大電路系統可控增益放大電路采用兩級AD603實現，單機AD603有高達-10dB到30dB的增益調整范圍，最高的線性增益誤差〔dB/V〕只有0.5dB/V，且具有90MHz的高增益控制帶寬。單級AD603增益與增益控制電壓Vc〔1腳和2腳間電壓差〕關系為：GAD603〔dB〕=40Vc+10，Vc范圍為-0.5V～0.5V,控制電壓由單片機控制12位DAC產生，DAC基準為2.5V,那么DAC輸入值K與AD603控制電壓的對應關系為Vc=2.5/4096×K，能夠非常容易的實現增益設置。AD603接成偏置電壓可調模式，電路如圖3-2所示:(3)濾波電路濾波電路采用四階LC低通濾波器，如下列圖所示：(4)功率放大電路功率放大電路由電流反應型運放AD811，THS3001HV和高速電流緩沖器BUF634構成，AD811，THS3001HV和BUF634均可±18V供電，AD811調節偏置并實現8dB增益，THS3001HV實現23dB增益，能夠滿足題目高輸出電壓的要求。最后一級電壓放大器THS3001HV為電流反應型運放，具有2500V/us高壓擺率，當增益設為20dB時，其帶寬為100MHz。BUF634的帶寬為30MHz,壓擺率為2000V/us，輸出電流為250mA。THS3001HV雖然具有高壓擺率，但其輸出電流有限，為實現高輸出電壓擺幅、大輸出電流，采用THS3001HV實現20dB增益，通過BUF634實現擴流輸出。2．程序設計系統軟件顯示了友好的人機界面，采用非線性補償的方法實現了增益誤差校正，軟件實現了增益手動連續設置并顯示和帶寬預置并顯示功能。流程圖如四、測試方案與測試結果1．測試方案與測試條件(1)測試儀器①SU3150DDS150MHz信號發生器②YT8045數字萬用表③YB4302020MHz模擬示波器(2)測試方案將各局部電路連接起來，輸出級加上50?負載，進行整機測試。將輸入端短接，測量輸出噪聲峰峰值。將放大器的帶寬分別預置為5MHz與10MHz，5dB步進或連續調節放大器的增益。測量不帶寬，不增益時的放大器的幅頻響應。2．測試數據①負載測試經測試放大器的輸入電阻51Ω，滿足題目要求的負載電阻〔50±2〕的要求。、②出噪聲測試③輸出電壓有效值測量輸入信號頻率為1MHz，輸入信號幅度可變，輸出信號波形無明顯失真。測試結果如下：高增益測試數據輸入RMS1mV5mV8mV10mVVoRMS/V2.38.99.810增益/dB76747169根據上述測試結果可知本系統到達最大電壓增益60dB，測得不失真最大輸出電壓有效值為10V同時到達了大于等于10V和最大電壓增益Au≥60dB的題目要求。④頻率特性測量輸入端參加有效值為8mV，增益設置為60dB。測試的數據如下：頻率測試數據頻率/Hz01102050100200500VoRMS/V8.98.98.68.98.98.68.6增益/dB60.960.960.660.960.960.660.6頻率/KHz15102050100200500VoRMS/V8.68.68.68.68.68.98.98.4增益/dB60.660.660.660.660.660.960.960.4頻率/MHz1234561012VoRMS/V8.28.28.68.68.67.97.15.7增益/dB60.260.260.660.660.659.959.057.1從以上表分析計算可得，系統的頻率特性滿足題目要求,3dB通頻帶0～12MHz；在0～9MHz通頻帶內增益起伏≤1dB，根本滿足實驗要求。3．測試結果分析通過以上測試數據我們可以看到，系統在電壓增益范圍，輸入電壓有效值，通頻帶范圍，輸出電壓有效值等多個指標上均到達題目的要求。采用簡單的三端穩壓器件構成的直流穩壓源的效率不是很高，受功放工作條件所限，目前已無法進一步提高輸出電壓的