寬帶放大器（Ｂ題）析評

郭云林

2003年全國大學生電子設計競賽B題，即寬帶放大器，湖北賽區(qū)參賽隊只有13隊應試，占本賽區(qū)參賽隊總數(shù)的5.7%；但全國唯一的索尼杯獎卻由該題參賽隊獲得。本文試圖從對題意的領會、典型高速寬帶運放AD603性能介紹及典型設計方案示例三個方面作粗淺釋析，意在交流、切磋并望賜教。

對題意的領會

對于題目基本部分和發(fā)揮部分的要求，最好將其分類、歸納，與教學訓練內(nèi)容結合起來，以便把握操作。現(xiàn)將寬帶放大器需要滿足的技術指標整理如下：

1.帶寬 3dB通頻帶為10kHz～6MHz，可以擴展。

2.增益（1）最小值為10dB，基本指標為40dB，最大值≥60dB。（2）可步進調(diào)節(jié)，在10～58dB范圍內(nèi)，步進間隔為6dB；要求更高時，步進間隔為2dB。（3）可預置增益值，并顯示。（4）預置增益值與實測增益值的誤差要求：在步進間隔為6dB時，誤差小于2dB；在步進間隔為2dB時誤差小于1dB。（5）帶內(nèi)增益平坦度要求：在增益為40dB時，在20kHz～5MHz范圍內(nèi)，增益起伏小于1dB。（6）自動增益控制要求：在4.5V≤V0≤5.5V范圍內(nèi)，AGC范圍≥20dB，即輸入信號的ViH/ViL大于12.2倍。

3.最大輸入電壓幅度（有效值）（1）基本要求≥3V；（2）擴展要求≥6.5V；（3）數(shù)字顯示正弦電壓有效值。

4.噪聲性能 在AV=58dB時，輸出噪聲峰－峰值不大于0.5V。

5.輸入阻抗≥1kΩ；負載電阻為600Ω；單端輸入、單端輸出。

6.進一步提高各項技術指標，擴展功能。

對題意要求作了如上整理后，在作總體方案設計時，至少有三點思路易于明確：

（1）器件選擇必須選擇寬帶、低噪、增益可程控放大的器件，且這類器件必須從新型的高速寬帶運算放大器中去尋找；分立元件很難奏效。

（2）硬件系統(tǒng)；根據(jù)最大輸出電壓幅度和最大增益要求，系統(tǒng)可分為3級、2級或1級（滿足基本要求）來實現(xiàn)，每級的增益分配都不會太大，易于實現(xiàn)。

（3）增益指標這一項，內(nèi)容較復雜，但主要都是依靠編程技術來完成。對多數(shù)參賽學員來說，這個問題現(xiàn)在已不算太困難。因此，在完成本題任務時，對題意的分析、整理，顯得非常重要。

AD603運放性能介紹

由上可見，完成本題的關鍵在于選擇好寬帶、低噪、增益可控制的放大器件。從本次競賽作品的測評中看，有的作品正是這樣做了，如選擇AD603、UA733等，因而取得的成績較好。這里側重介紹一下高速寬帶運放AD603的有關技術性能。

1.AD603的特性

圖1為AD603的引腳圖，表1為其引腳功能，圖2為AD603原理框圖，圖3為其最大增益與Rx之間的關系。這些圖表對了解AD603的電氣性能非常有用。

2.電氣性能

（1）增益特性

①固定增益上限Av(0) ：與5、7腳之間的外接電阻Rx有關，Rx=0（5、7腳短接），Av(0)max=30dB。Rx=6.44kΩ，Av(0)max=50dB。所以，固定增益的上限為（30～50）dB。

②增益衰減范圍：由內(nèi)部R-2R精密梯形網(wǎng)絡實現(xiàn)，R=100Ω，每節(jié)衰減6dB，共有7節(jié)，總的衰減能力約40dB。可見運放的增益在其上限之下，有40dB的可調(diào)范圍。

③增益控制調(diào)節(jié)方法：1、2腳都是其控制電壓Vg的接入端，由Vg控制內(nèi)部衰減網(wǎng)絡的無級變化，從而實現(xiàn)40dB范圍內(nèi)任一步進間隔的增益調(diào)節(jié)；Vg是1、2腳之間的電位差，范圍是[-0.5V,0.5V]，超出該范圍時，Vg的作用與區(qū)間端電壓相同；在Vg控制下，放大器的對數(shù)增益（以分貝表示）與Vg成線性關系（Vg的單位為V）：Av(Vg)=40Vg+(Gmax-20)(dB)。

例如：當Rx=0，Gmax=30dB,Vg∈[-0.5V，0.5V]時,AV(Vg)范圍為:-10~30dB。當調(diào)節(jié)范圍超過40dB時,需用級聯(lián)方式解決。

另外，控制端1、2腳之間輸入電阻達50MΩ，對Vg接入電路不會產(chǎn)生影響；在內(nèi)部，1、2腳與信號輸入端3、4腳之間無電的聯(lián)系。因此，Vg調(diào)節(jié)增益是獨立進行的。

（2）帶寬當Gmax=30dB時，BW0.7=90MHz；當Gmax=50dB時，BW0.7=9MHz，即單位增益帶寬接近3GHz；帶內(nèi)增益起伏小于0.5dB；大信號電壓轉(zhuǎn)換速率：275V/μs。

（3）低噪聲性能1.3nV/Hz。故即使在100MHz頻帶里，噪聲峰-峰值也僅0.13V左右。

（4）輸入電阻100Ω。這是由其R-2R網(wǎng)絡決定的。因此為提高輸入阻抗，可采用寬帶運放跟隨器作輸入級。

（5）極限參數(shù)及應用范圍表2為AD603極限參數(shù)及應用范圍。

3. 使用注意事項

（1） 輸入信號必須直接接在3、4腳上，否則影響精度。（2） 參考電壓必須非常穩(wěn)定。（3） 信號輸入端宜加保護電路，以防過壓輸入。（4） 容易自激。電源和地之間加去耦電容，各級電源之間加電感線圈隔離。（5） 對容性負載敏感，易造成自激，當用同軸電纜連接輸出時，宜加緩沖器隔離。（6） 前后級易產(chǎn)生電磁耦合，必要時需用銅屏蔽盒隔離。（7）級聯(lián)運用時，因為Ri2=100Ω，為防止后級輸入過流，應采取保護措施。（8）在5腳上加接4.7μF電容接地，可適當提升高頻分量，改善幅頻特性。

由上可見，如果了解了AD603的有關性能，對完成本題任務中硬件系統(tǒng)的設計與制作，心中就大抵有了底。

典型設計方案示例

1.總體設計方案

根據(jù)帶寬、增益調(diào)節(jié)范圍(≥48dB)、輸入阻抗、噪聲等項要求，系統(tǒng)前端電壓放大部分需設一級寬帶跟隨器和兩級AD603程控增益放大器；根據(jù)輸出電壓幅度的要求，需再加一級大信號寬帶電壓放大器；根據(jù)增益控制調(diào)節(jié)、自動增益控制范圍、測量并顯示輸出電壓有效值等要求，需要設置單片機小系統(tǒng)和有關檢測電路。于是系統(tǒng)總體設計方案可如圖4所示。

各級增益的分配可由實驗確定，末級增益在6~20dB之間（即2~10倍）即可滿足題意要求。

有效值測量可有多種實現(xiàn)方案，但選用測量有效值的專用芯片AD637，則簡潔方便，可滿足本題要求（有關資料可自查）。

A/D與D/A的工作頻率均不高，題目對測量精度的要求也不算高，因此，可選擇8位的ADC0809和DAC0832。同時，單片機的任務并不算太多，亦可采用89C51類的普通芯片即可。

2.前端放大電路

根據(jù)上述AD603芯片的特點，可將前端放大器簡要設計如圖5所示。

前端跟隨器選用OPA642，其截止頻率達400MHz，跟隨線性度好；輸入電壓允許值與AD603相同。這樣，使系統(tǒng)輸入阻抗遠大于1kΩ的要求。

3.末級大信號放大電路

為保證高頻端放大器的穩(wěn)定性和帶內(nèi)幅度的平坦度，宜采用互補推挽和深度電壓串聯(lián)負反饋電路形式。典型電路如圖6所示。

高頻晶體管2N3904為NPN型，2N3906為PNP型，是配對的互補管，特征頻率fT達200MHz，能保證系統(tǒng)性能要求。由于是深度電壓串聯(lián)負反饋，故輸入阻抗較高，輸出阻抗低，適合與前端放大器和負載連接。

由圖可見，本級AVf≈1/kfV=1+(R10/R9)，如R9、R10為圖中標注值，則AVf=11，約合20dB。

所有電容，均是為了電源去耦或改善頻率特性的。

4.一組典型測試數(shù)據(jù)

表3為頻率特性測試數(shù)據(jù)，表4為步進增益誤差測試數(shù)據(jù)，表5為AGC控制測試數(shù)據(jù)。

5.安裝調(diào)試注意事項

（1）設計的電路宜先作仿真，特別是頻率特性與波形失真，要不出現(xiàn)明顯誤差；（2）電路板安裝應盡量緊湊；（3）數(shù)字地與模擬地之間加接電感線圈，防止自激與干擾；（4）前端與末級放大器電路要分別加屏蔽盒，各接口以同軸電纜連接，同軸線外層和盒體應接地。

結束語

模擬電子線路的主要知識點有三點，即放大器、振蕩器和調(diào)制/解調(diào)器，而后二者也多是以放大器為基礎的，所以放大器實際上是模擬電子線路最重要最基本的知識點。而對放大器而言，最主要的反映當前新技術、新器件應用的就是運算放大器：高速寬帶、增益可程控、低噪聲、高輸入阻抗、高共模抑制比。本次競賽題“寬帶放大器”，可以說正是切中了這一主要知識點的諸多主要方面；同時該題還需應用A/D、D/A、單片機等數(shù)字化技術與微機技術，較好地體現(xiàn)了當前“模擬的系統(tǒng)概念加數(shù)字化的處理技術”這一個電子技術發(fā)展的總趨勢；另一方面，據(jù)統(tǒng)計，這次競賽題中模擬分量占較大比重的A、B兩題，在全國2980個參賽隊中亦僅占6%，不到180個隊，可見模擬電子技術的教和學（包括實踐訓練），都不同程度地存在偏離上述電子技術發(fā)展總趨勢的現(xiàn)象，值得引起各方面注意。綜上所述，“寬帶放大器”題目反映了出題專家組的獨具匠心；全國大學生電子設計競賽在引導和促進電子信息類專業(yè)的深化教學改革上，確實已經(jīng)發(fā)揮和必將繼續(xù)發(fā)揮重要的作用。