基于宽带直流放大器的设计与研究.doc

PAGE PAGE 1 项目名称 基于宽带直流放大器的设计与研究 项目目的和意义 在现代电子设备、通讯设备和科研生产中常需要利用放大电路将传感器输出的微弱信号或通信接收端接收到空中微弱的信号进行提取、放大。只有将信号放大到一定程度才能满足后级设备的要求，使分析结果正确。同时很多设备还要求具有一定输出功率，才能驱动后级设备或使通信的发射端将信号有效传输到接收端。然而面对多种多样的放大要求，现在的放大电路难以在频带、增益动态范围、功率等参数满足设计要求。这里设计一种宽带直流放大器，该系统成本低廉，精度高，满足一般生产科研实验要求，可应用于多种场合，具有推广性。 项目主要实施的内容（包含理论依据、技术指标） （1）电压增益AV≥40dB，输入电压有效值Vi≤20mV。AV可在0～40dB范围内手动连续调节。 （2）最大输出电压正弦波有效值Vo≥2V，输出信号波形无明显失真。 （3）3dB通频带0～5MHz；在0～4MHz通频带内增益起伏≤1dB。 （4）放大器的输入电阻≥50W，负载电阻（50±2）W。 （5）设计并制作满足放大器要求所用的直流稳压电源。 前置放大器 前置放大电路使用电压跟随器实现。电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。 在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。 电压跟随作用：由于它的高输入电阻、低输出电阻，所以电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用，完成阻抗匹配的功能。 考虑到本系统的通频带为0~10MHz，为避免引入噪声，其输入阻抗必须限定在50W~100W之间，若电压跟随器的阻抗为Rj， 实际电路取Rk=100W,则＞50W。此前置放大电路还具有缓冲、隔离的功能，其电压增益接近于1，运算放大器选用OPA642，此放大器的增益带宽积为400MHz。 2.中间级放大电路 本级放大器由固定增益模块和增益控制模块组成，增益达42dB，带宽为12.5 MHz，实现增益从22dB到42dB可控，并能实现增益为5dB步进 可调。 OPA620集成运放的开环增益带宽积为200MHz，为满足系统最大通频带为10MHz的要求，由OPA620构成的单级闭环放大器的最大增益不能大于 当单级闭环放大器的增益为20dB时，线性相位为零的最大频率约为3MHz＜10MHz，由此得出当单级闭环增益16dB时，通频带为12.5MHz，满足通频带带宽的设计要求。 3.增益控制模块 在两级6.3倍（16dB）单闭环放大器级联后，再级联一级可变增益放大器（AD603），以实现对电压增益预置和步进的控制。AD603增益与控制电压的关系为AG（dB）=40Ug+10，输入控制电压Ug由AD603的1脚输入，控制电压范围为-0.5~+0.5。单片机可以通过D/A（将数字量转换为对应的模拟电压量Ug）来控制AD603的放大倍数，中放的最大增益=AGdB+16dB×2。设计时Ug取值范围为-0.5~0，从而实现增益从22dB到42dB可控，并能实现增益为5dB步进。 4.末级放大电路 当系统负载电阻为（50±2）W时，最大输出电压Vo≥10V，则由公式 P=U*U/R ， 可得，系统输出功率的最大值为 2.08W 。经前置放大和中放电路放大后，不具备驱动负载的能力，需经末级功率放大电路放大后才能达到系统对输出功率的要求。参考音频放大器中驱动级电路，考虑到负载电阻为（50±2）W，输出有效值大于10V，末级采用两级三极管直接耦合功率放大器，如图6所示。末级放大电路的电压增益在第一级，第二级采用了一对孪生功放管D669A和B649A（特征频率fT=140MHz，Ic=1.5A）进行功率放大。整个电路设计有频率补偿，可对0到10MHz的信号进行线性放大，放大倍数 在实际制作过程中通过调节可变电阻R10调整反馈深度获得20dB增益，使整个放大器的总增益为62dB，在10MHz以下的通频带内增益非常稳定，可有效抑制通频带内增益起伏的变化. 5.各级增益控制 通过放大电路，系统总增益可调范围是42 dB~62 dB，不能满足题目的要求。利用两组衰减网络分别将系统增益衰减20 dB和42 dB，如图7所示，可实现系统增益分别在0~20 dB、22 ~42 dB和42~62 dB间变化，再结合增益控制模块实现了系统增益