寬帶放大器（Ｂ題）

張　展　余　涵　張安安

本設(shè)計由三個模塊電路構(gòu)成：前級放大電路（帶AGC部分）、后級放大電路和單片機(jī)顯示與控制模塊。在前級放大電路中，用寬帶運算放大器AD603兩級級聯(lián)放大輸入信號，輸出放大一定倍數(shù)的電壓，經(jīng)過后級放大電路達(dá)到大于8V的有效值輸出。ADUC812的單片機(jī)顯示、控制和數(shù)據(jù)處理模塊除可以程控調(diào)節(jié)放大器的增益外，還可以實時顯示輸出電壓有效值。

本設(shè)計采用高級壓控增益器件，進(jìn)行合理的級聯(lián)和阻抗匹配，加入后級負(fù)反饋互補輸出級，全面提高了增益帶寬積和輸出電壓幅度。應(yīng)用單片機(jī)和數(shù)字信號處理技術(shù)對增益進(jìn)行預(yù)置和控制，AGC穩(wěn)定性好，可控范圍大，完成了題目的所有基本和發(fā)揮要求。

方案論證與比較

1.可控增益放大器部分

方案一簡單的放大電路可以由三極管搭接的放大電路實現(xiàn),圖1為分立元件放大器電路圖。為了滿足增益60dB的要求，可以采用多級放大電路實現(xiàn)。對電路輸出用二極管檢波產(chǎn)生反饋電壓調(diào)節(jié)前級電路實現(xiàn)自動增益的調(diào)節(jié)。本方案由于大量采用分立元件，如三極管等，電路比較復(fù)雜，工作點難于調(diào)整，尤其增益的定量調(diào)節(jié)非常困難。此外，由于采用多級放大，電路穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象。

方案二為了易于實現(xiàn)最大60dB增益的調(diào)節(jié)，可以采用D/A芯片AD7520的電阻權(quán)網(wǎng)絡(luò)改變反饋電壓進(jìn)而控制電路增益。又考慮到AD7520是一種廉價型的10位D／A轉(zhuǎn)換芯片，其輸出Vout=Dn×Vref/210，其中Dn為10位數(shù)字量輸入的二進(jìn)制值，可滿足210=1024擋增益調(diào)節(jié)，滿足題目的精度要求。它由CMOS電流開關(guān)和梯形電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)簡單、精確度高、體積小、控制方便、外圍布線簡化等特點，故可以采用AD7520來實現(xiàn)信號的程控衰減。但由于AD7520對輸入?yún)⒖茧妷篤ref有一定幅度要求，為使輸入信號在mV～V每一數(shù)量級都有較精確的增益，最好使信號在到達(dá)AD7520前經(jīng)過一個適應(yīng)性的幅度放大調(diào)整，再通過AD7520衰減后進(jìn)行相應(yīng)的后級放大，并使前后級增益積為1024，與AD7520的衰減分母抵消，即可實現(xiàn)程控放大。但AD7520對輸入范圍有要求，具體實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，而且轉(zhuǎn)化非線性誤差大，帶寬只有幾kHz，不能滿足頻帶要求。

方案三根據(jù)題目對放大電路的增益可控的要求，考慮直接選取可調(diào)增益的運放實現(xiàn)，如運放AD603。其內(nèi)部由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，加在其梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的參考電壓決定；而這個參考電壓可通過單片機(jī)進(jìn)行運算并控制D/A芯片輸出控制電壓得來，從而實現(xiàn)較精確的數(shù)控。此外AD603能提供由直流到30MHz以上的工作帶寬，單級實際工作時可提供超過20dB的增益，兩級級聯(lián)后即可得到40dB以上的增益，通過后級放大器放大輸出，在高頻時也可提供超過60dB的增益。這種方法的優(yōu)點是電路集成度高、條理較清晰、控制方便、易于數(shù)字化用單片機(jī)處理。

2.后級固定增益部分

由兩片AD603級聯(lián)構(gòu)成的前級放大電路，對不同大小的輸入信號進(jìn)行前級放大。由于AD603的最大輸出電壓較小，不能滿足題目要求，所以前級放大信號需經(jīng)過后級放大達(dá)到更高的輸出有效值。

方案一使用集成電路芯片。使用集成電路芯片電路簡單、使用方便、性能穩(wěn)定、有詳細(xì)的文檔說明。可是題目要求輸出6V以上有效值，而在電子市場很難買到這樣的芯片，而我們買到的如AD811，HA-2539 等芯片，雖然輸出電壓幅度能滿足要求，但是很容易發(fā)生工作不穩(wěn)定的情況。

方案二使用分立元件自行搭建后級放大器。使用分立元件設(shè)計困難，調(diào)試繁瑣，可是卻可以經(jīng)過計算得到最合適的輸入輸出阻抗、放大倍數(shù)等參數(shù)，電阻電容可根據(jù)需要更換，在此時看來較集成電路靈活。因此，我們決定自行設(shè)計后級放大器。

系統(tǒng)設(shè)計

1.總體設(shè)計思路

根據(jù)題目的要求，結(jié)合考慮過的各種方案，我們認(rèn)真取舍，充分利用模擬和數(shù)字系統(tǒng)各自的優(yōu)點，發(fā)揮其優(yōu)勢，采用單片機(jī)預(yù)置和控制放大器增益的方法，大大提高了系統(tǒng)的精度和可控性；后級放大器使用由分立元件設(shè)計的推挽互補輸出放大器，提高了輸出電壓有效值。我們使信號都在單片機(jī)的數(shù)字算法控制下得到最合理的前級放大，使其放大倍數(shù)精確。圖2所示即為本系統(tǒng)原理框圖。

輸入信號通過前級可控增益放大，放大倍數(shù)由單片機(jī)通過D/A轉(zhuǎn)換提供的電壓控制。AD603的Vg（=V1-V2）根據(jù)公式：增益GAIN=40×Vg+20（dB）來設(shè)定，而在AGC模式下，此控制電壓Vg是由AGC電路的反饋電壓得到，不受單片機(jī)控制。經(jīng)過前級放大后的信號最后經(jīng)過后級放大得到需要的輸出信號，前級和后級增益的搭配，都是經(jīng)過精確的測量和計算的。輸出電壓經(jīng)峰值檢波電路得到，反饋到單片機(jī)，經(jīng)運算和線性補償?shù)玫接行е担瑫r單片機(jī)推動數(shù)碼管顯示出來。

2．主要電路原理分析

（1）直流穩(wěn)壓電源本電源采用橋式全波整流、大電容濾波、三端穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓的方法，產(chǎn)生各種直流電壓，如正負(fù)15V,正負(fù)5V等都可以買到相應(yīng)的固定輸出的三端穩(wěn)壓芯片，如LM7815、LM7805。而電子市場上沒有我們要求的前級和后級放大器所需要的+10V和+30V固定輸出的三端穩(wěn)壓器件，所以我們采用LM317T可變輸出的穩(wěn)壓芯片，典型電路圖如圖3。

交流輸入經(jīng)過電容濾波后的穩(wěn)定的直流電送到三端穩(wěn)壓集成電路LM317T的Vin端。LM317T是這樣工作的：由Vin端給它提供工作電壓以后，它便可以保持其+Vout端比其ADJ端的電壓高1.25V。因此，我們只需用極小的電流來調(diào)整ADJ端的電壓，便可在+Vout端得到比較大的電流輸出，并且電壓比ADJ端高出恒定的1.25V。

在LM317T的ADJ端加一個接地的濾波電容，會使紋波抑制比大幅度地提高，給高頻小信號運算放大器提供非常穩(wěn)定的電源。二極管的作用是當(dāng)有意外情況使得LM317T的輸入電壓比輸出電壓還低的時候防止從輸入端上有電流倒灌入LM317T引起其損壞。其電源電路見本刊網(wǎng)站。

（2）前級放大器和AGC AD603為單通道、低噪聲、增益變化范圍連續(xù)可調(diào)的可控增益放大器。帶寬90MHz時增益變化范圍為-11～+3ldB；帶寬為9MHz時為9～51dB。增益變化范圍可分三種模式進(jìn)行控制：當(dāng) 5腳與7腳斷開時，增益變化范圍為9～51dB,當(dāng)5腳與7腳短接時，增益變化范因為-11～+3ldB,當(dāng)5腳與7腳之間接一電阻時，可使增益變化范圍進(jìn)行平移。

AD603的簡化原理框圖如圖4所示，它由無源輸入衰減器、增益控制界面和固定增益放大器三部分組成。圖中加在梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端（VINP）的信號經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的電壓決定。增益的調(diào)整與其自身電壓值無關(guān)，而僅與其差值Vg有關(guān)，由于控制電壓GPOS/GNEG端的輸入電阻高達(dá)50MΩ，因而輸入電流很小，致使片內(nèi)控制電路對提供增益控制電壓的外電路影響減小。以上特點很適合構(gòu)成程控增益放大器。為了增大控制范圍，我們采取兩級AD603級聯(lián)的方法，如圖5所示。

使用AD603制作前置放大器時，主要考慮了共模干擾問題。前置放大器采用單端輸入方式，這時要求運算放大器的另一個輸入端與信號輸入端阻抗平衡，否則在相位相同的電磁干擾情況下，將產(chǎn)生共模信號輸出。

AD603輸入阻抗為100Ω，低的輸入阻抗將帶來如功率、阻抗匹配等若干問題，因此我們在輸入前級用三極管搭設(shè)了射極跟隨器，用以提高輸入阻抗。根據(jù)公式：Rin≈βRe,我們?nèi)ˇ?150的高頻三極管，取Re=1kΩ，使輸入阻抗大于150kΩ。

有時由于接收環(huán)境的不同、外界干擾的影響，接收到信號的強弱可能變化很大。特別是傳輸圖像信號時，由于頻帶寬、電磁干擾嚴(yán)重，不可能無畸變地遠(yuǎn)距離傳輸。當(dāng)信號較弱時，圖像的對比度變小，清晰度差且同步不穩(wěn)定，無法成像；當(dāng)信號較強時，會使后級接收端放大器進(jìn)入飽和區(qū)和截止區(qū)，導(dǎo)致信號嚴(yán)重失真，而且還會將同步脈沖切割掉，得不到良好的圖像。

為了較好地解決這個問題，可使用自動增益控制電路，即AGC電路。它取出放大器輸出的峰值作為增益的控制電壓，使最終輸出的電壓信號保持在某一峰峰值之間，輸出較穩(wěn)定的視頻信號。

在圖5中，兩級AD603可構(gòu)成具有自動增益控制的放大電路，圖中由2N3904和R7組成一個檢波器，用于檢測輸出信號幅度的變化。由C11形成自動增益控制電壓Vagc，流進(jìn)電容C11的電流為2N3906和2N3904兩管的集電極電流之差，而且其大小隨第二級AD603輸出信號的幅度大小變化而變化，這使得加在兩級放大器1腳的自動增益控制電壓Vagc隨輸出信號幅度變化而變化，從而達(dá)到自動調(diào)整放大器增益的目的。

為了去除50Hz工頻干擾和其它低頻干擾，我們在兩級AD603中作了巧妙的處理，級間加入的串聯(lián)電容可以與AD603的輸入阻抗形成一個高通濾波器，轉(zhuǎn)折頻率為1/2πRC,其中R為AD603的輸入阻抗100Ω，C為典型的104磁片電容，得結(jié)果約15kHz，經(jīng)測試正好滿足衰減3dB起始點為10kHz，從20kHz開始幅頻特性曲線平坦的要求。

（3）手動增益預(yù)置和控制的實現(xiàn)開環(huán)增益手動控制的基本思路是由單片機(jī)數(shù)字程控，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生控制輸出電壓，加到圖5中兩塊AD603的1腳來控制。我們本想利用ADUC812單片機(jī)自帶的D/A轉(zhuǎn)換功能，但經(jīng)實踐發(fā)現(xiàn)其D/A輸出很不穩(wěn)定，難以濾除，而控制電壓要求紋波非常小，否則就會給輸出信號帶來很大噪聲。故我們改變了設(shè)計，考慮使用電阻網(wǎng)絡(luò)AD7520進(jìn)行控制，其原理如圖6所示。單片機(jī)通過74LS373給AD7520賦值，電阻R0用于調(diào)節(jié)AD7520的參考電壓，從而由AMP1得到D/A結(jié)果，再由AMP2幅度搬移至前放所需的控制電壓-0.5～+0.5V之間，提供給AD603。

（4）后級放大原理 圖7為后級放大電路圖，它是PSPICE 電路仿真時候的電路圖， 可見本電路是一個典型的單電源供電的對稱互補電路。三極管選用的是B649A和D669A高頻孿生對管，T1、T2組成前置放大級，T3、T4組成對稱輸出級。在輸入信號為0時，調(diào)整R1的阻值，可以供給三極管適當(dāng)?shù)钠茫瑥亩筊9和R10間的電位為Vcc/2。

靜態(tài)時，通常輸出點電位為Vcc/2，為了保證電路工作點的穩(wěn)定性，我們使用R9、R10和C5將輸出端和T1、T2輸入端相連，以引入負(fù)反饋。

晶體管的ft在很大程度上決定了放大器的帶寬。因為有源負(fù)載的頻率特性和噪聲特性較差，因此我們在電路中采用電阻做負(fù)載。使用分立元件制作后級放大器時，在指標(biāo)允許的情況下，我們盡量降低輸入阻抗，以減少空間輻射帶來的干擾。

（5）峰值檢波電路圖8為峰值檢波電路。峰值檢波有兩種方案，第一種是使用AD637。

AD637真有效值檢測器將輸出的交流信號取樣回來轉(zhuǎn)換為直流，經(jīng)過單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換后，顯示在數(shù)碼管上。輸入電壓不大的時候，AD637尚可正常工作；但是，當(dāng)輸出為最大到8V有效值的電壓時，AD637工作將不正常，并且，隨著頻率的不同，AD637的工作狀態(tài)會有所不同，所以不宜使用。另一種方案是，取樣回來的輸出電壓經(jīng)過二極管和電容進(jìn)行峰值檢波，并經(jīng)過高精度運算放大器進(jìn)行衰減和保持后輸入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行顯示，這樣精度可以得到保證，不過會有一定的管壓降，使用檢波用肖特基二極管大概會有0.2V壓降，完全可以通過單片機(jī)進(jìn)行顯示上的補償。

（6）單片機(jī)系統(tǒng) 單片機(jī)是整個放大器控制的核心部分，它主要完成以下功能：接收用戶按鍵信息以控制增益；接收峰值檢波電路的反饋電壓以計算有效值；對AD603的增益控制電壓進(jìn)行控制。程序流程圖如圖9所示。各個功能由不同的模塊實現(xiàn)：

鍵盤檢測模塊 記錄用戶對鍵盤的操作，將設(shè)定的增益數(shù)值記錄下來。

控制電壓模塊 根據(jù)用戶對增益的設(shè)置，查表得到對D/A轉(zhuǎn)換器的控制字串，輸出給D/A轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生精確的控制電壓。

有效值模塊 由于輸入輸出是標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號，峰值檢波電壓值根據(jù)經(jīng)驗公式Vmax=√2Vrms計算，并經(jīng)過線性修正得到有效值，經(jīng)測試顯示誤差不超過0.5%。

顯示模塊 按用戶需要將預(yù)置增益值或者有效值顯現(xiàn)在數(shù)碼管上。

總 結(jié)

通過對輸入輸出、頻帶、增益、AGC等各方面的測試，我們得到了如附表所列的性能。

專家點評：作品包括模擬和數(shù)字兩大部分，采用集成電路與分立元器件結(jié)合的方案，集中了各自優(yōu)勢，收到設(shè)計簡單、性能優(yōu)良、實現(xiàn)較容易等效果。其中模擬前端由兩塊高性能集成寬帶、低噪聲可變增益放大器AD603級聯(lián)而成，負(fù)責(zé)信號放大并與單片機(jī)電路配合實現(xiàn)了增益控制；后級功率輸出模塊采用分立元器件構(gòu)成，得到較高的輸出電壓范圍；系統(tǒng)控制模塊以ADUC812單片機(jī)為主，可完成增益設(shè)定、電壓有效值計算和相關(guān)信息顯示等功能。

系統(tǒng)采用電壓反饋控制方式實現(xiàn)了自動增益控制，AGC范圍較寬。設(shè)計與制作中利用數(shù)模隔離、電源隔離、濾波和去耦等技術(shù)，以及PCB板合理布線、級間阻抗匹配和軟件算法誤差補償?shù)却胧行p少了噪聲和干擾的影響，同時提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

設(shè)計方案論證充分，各級電路參數(shù)確定、阻抗匹配設(shè)計合理；系統(tǒng)完成的功能完備，增益、帶寬等主要指標(biāo)均達(dá)到題目的要求。

設(shè)計中還應(yīng)進(jìn)一步注意高頻放大器增益與帶寬之間的關(guān)系，從題目要求出發(fā)，二者兼顧，以獲取更好的帶寬性能。

點評專家劉開華，天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院教授，全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽專家組成員。