宽带放大器
摘 要
本作品基于压控对数放大器设计，由主放大及输入输出电路、增益控制电路、显示及处理模块、测量电路和电源模块组成，具有宽带数字程控和数字AGC功能。其中的AD603的使用方便了程控增益，AD844的使用提高了输出电压的有效值范围。由于综合应用了电容去耦、磁珠滤波等降噪措施，较好地抑制了放大器的噪声。
关键词： 压控对数放大器 宽带数字程控 数字AGC 降噪
一：方案比较与论证
分析题目要求，我们将本设计分为：主放大电路及输入输出电路、增益控制、键盘显示及处理、测量和稳压电源五大功能模块。各模块间的关系如图1-1所示。
图1-1 各模块的关系
1．主放大器及输入输出电路
方案一：采用分立元件设计。此方案元器件成本低，易于购置。但
是设计、调试难度太大，周期很长，尤其是短时间内手工制作难以保证可
靠性及指标，故不采用此方案。
方案二：采用高速宽带集成运放设计。此方案优势是电路容易实现，指标和可靠性容易得到保证。故采用此方案。
2．增益控制电路
方案一：采用场效应管或三极管控制增益。主要利用场效应管的可变电阻区（或三极管等效为压控电阻）实现增益控制，电路简单，调试复杂。
方案二：采用高速乘法器型D/A实现。利用D/A转换器的VRef作信号的输入端，D/A的输出端做输出。用D/A转换器的数字量输入端控制传输衰减实现增益控制。此方案简单易行，但经实验知：当信号频率较高时，系统容易发生自激，因此不选此方案。
方案三：利用能够压控增益的放大器实现。其特点是可以用单片机方便地预置增益。
由于主放大器可以找到压控增益的器件，本系统采用方案三。
3. 有效值测量电路
方案一：采用真有效值转换器件测量，此方案电路简单、精度高。但价格较贵，同时器件难找。现有的有效值转换器件如AD637、AD737在较高频率段无法满足本题测量要求。
方案二：采用峰值检波测量。采用峰值检波电路，检出峰值经A/D转换后由单片机转换为有效值。电路简单可靠，但前提是信号是正弦波，否则误差较大。考虑到本题要求测量的是标准正弦波，因此选择本方案。
4. 稳压电源
方案一：线性稳压电源。其中包括并联型和串联型两种结构。并联型电路复杂，效率低，仅用于对调整速率和精度要求较高的场合；串联型电路比较简单，效率较高，尤其是若采用集成三端稳压器，更是方便可靠。
方案二：开关稳压电源。此方案效率高，但电路复杂, 开关电源的工作频率通常为几十～几百KHz，基波与很多谐波均在本放大器通频带内，极容易带来串扰。
电源模块选择方案一中的串联型稳压电源。
总体系统框图如图1-2所示。
图1-2 系统框图
二．理论分析与参数计算
放大器链路的组成如图2-1所示：
图2-1 主放大器电路图
图中注明了设计中每级增益的分配，并在下方依据器件的官方资料给出了各级-3dB通频带的上限。
通频带计算
如图2-1，系统通频带由BUF634缓冲器、两级AD603放大器和AD844放大器共同决定，由频率响应公式可知系统增益与频率的关系如下：
(式2-1)
式中：, , ，为器件资料中相应运放的通频带，为放大链路中各级放大器的中频电压放大倍数。
经计算，系统3dB带宽，符合设计要求。
2．增益控制范围及精度
为实现60dB放大能力，本设计采取两级AD603级联和后级AD844放大电路的增益分配方式。依据资料，AD603采用的是增益为-11dB～31dB、带宽90MHz的工作方式，其每级增益为：
GAD603（dB）=40×Vg+10 （式2-2）
式中，Vg为AD603的增益控制电压，范围为-0.50V～0.50V。
按图3-3接法，AD844放大电路增益为17.8dB ,前级输入衰减6dB, 所以整个放大器的增益为：
G（dB）=2×GAD603+17.8-6=80×Vg+31.8 （式2-3）
Vg的变化范围为-0.5～0.5V，因此理论上的增益控制范围为-8.2～71.8 dB。
单片机通过D/A的输出电压控制AD603的增益，若采用的是8位D/A转换器，则D/A输入值KDA与AD603控制电压的对应关系为：
（式2-4）
式中，KDA为D/A的输入值。
由式2-3及式2-4可知增益G与D/A输入值KDA的对应关系为：
（式2-5）
则可得增益控制的理论精度为：
（式2-6）
由以上分析可知，该电路满足对增益控制范围及精度的指标要求。
3．自动增益控制范围
AGC范围的计算式为：
G=20log（Vs2/Vs1）-20log(VOH/VOL) （式2-7）
式中，Vs2、Vs1分别为输入信号的最大和最小值；VOH、VOL分别为输出的最大和最小值。
由式2-7推知，当输入信号的有效值为0.0012VVi2.0V时，要保证输出电压有效值为4.5VVO5.5V，则AGC范围为64dB。图2-2给出了放大器在进入AGC模式后的传输特性在matlab中的仿真结果。由图知，此功能满足题目要求。
图2-2
4．系统噪声
本系统噪声主要由输入端电阻热噪声、BUF634电路噪声、AD603电路噪声及AD844电路噪声等引起。在最高增益60dB状态下，对系统各级噪声分别进行近似计算：
= （式2-8）
= （式2-9）
= （式2-10）
= （式2-11）
= （式2-12）
在式（2-8）～（2-12）中：取K=、T=300K、R=、B=90MHz；、、和表示各器件噪声系数，分别为4、1.3，1.3和2；B1、B2、B3、B4和 G1、G2、G3m、G4m分别表示各器件的带宽和增益，具体数值如图2-1所示。由此进一步可推知，系统噪声有效值及峰峰值分别为：
=0.054V（式2-13）
Un峰峰==0.153V （式2-14）
由以上分析可知，该电路可满足题目对噪声的指标要求。
5.运放之间的耦合电容
AD603的输入阻抗为100，为了保证9KHz以上的信号通过，把高通滤波的截止频率设置为8KHz。
由 可得，两个AD603之间应该加的电容的大小为：
C2====199nF （式2-15）
选标称值 C2=330 nF。
在buf634与AD603之间所加的电容值为：
C1==== 99nF （式2-16）
为了留一定的余量，取标称值C1=220 nF
同理可得，在AD603与AD844之间的电容为：C3=220 nF
三、单元电路设计与实现
综合分析本题目的基本要求和发挥部分要求，我们确定的总设计目标为完成题目全部功能和指标。各单元电路设计如下：
1. 输入缓冲电路
为了使输入阻抗 1K，带宽8KHz~10MHz，采用BB公司的BUF634来完成，本级增益为0dB 。具体电路图如下所示：
图3-1 输入缓冲级电路图
考虑到通频带带宽的要求以及降低缓冲级的输入噪声，BUF634选用30MHz带宽的电路连接形式。BUF634具有高输入阻抗，为了降低系统引入的噪声和干扰，并且满足输入阻抗大于，在BUF634的输入端对地并接一电阻。
BUF634的输出端串接一100Ω电阻，与后级AD603的输入阻抗（100Ω）构成一衰减倍数为0.5的衰减器，以保证输入信号有较大的范围。
2．主放大电路
此电路可以由ADI公司的AD603完成。AD603在宽频带工作模式下，增益控制范围为-11dB～+31dB ，且控制电压与增益dB 数成线性关系，为达到设计目标可用两级级联。AD603的噪声谱密度只有1.3 ，能够满足低噪声的设计要求。
图3-2 主放大电路
其具体电路如上图2-2所示，其每级增益为
（式3-1）
其中，为AD603的增益控制电压，单位伏特，范围-0.50V～0.50V。故两级AD603的可控增益范围为-22dB～62dB，可以保证本电路有较大的增益预置范围和AGC控制范围。
3． 输出级放大电路
本级采用AD844放大电路完成，AD844具有高达2000V/us的压摆率和很强的带负载能力，开环输出电阻15，在电源为±15V、负载电阻为600Ω时，就能够使输出电压的有效值达到8.40V。AD844的全功率带宽为20MHz,满足放大器带宽的要求。电路如图2-3所示。
图 3-3 输出级电路
鉴于主放大器AD603的最大输出电压为2.5V，AD844输出阻抗约为15，为确保在600电阻负载上输出8.5V,则设计此级增益至少为：
（式3-2）
调试完成后，测得增益为7.67倍，即17.7dB。
4． 增益控制电路
采用AD7528实现。电路图如图3-4所示。
图3-4 增益控制电路
有效值测量电路
该电路由峰值检波（输出时电阻分压）和A/D转换电路实现。具体电路如图3-5所示。
图3-5
图3-5中，R1的作用是把检波电路输出的电压范围转换至A/D的输入电压范围0～5.0V。经过调试，最终确定输出电压有效值与A/D数值的关系为：
U有效=KAD×34.1+300 （式中，U有效 的单位mV） （式3-3）
其中的检波电路采用最常见的峰值检波形式，检波时常数以通频带的低端频率（）为依据来设计。对应的周期为0.11ms，则检波时常数取1ms。具体器件的参数为： R1=100K，C1=10nF
电路
图3-5 峰值包络检波电路图
multisim仿真结果
图3-6
若采用如图3-7所示的电路图，则可以解决小振幅电压的测量问题，但该电路调试比较麻烦，故不采用。
图3-7 一种可测小振幅电压的检波电路
6． MCU及显示键盘系统
单片机采用AT89C55,键盘控制采用专用芯片ZLG7289A,使按键的处理和控制变得简单、易控。测量输出有效值、控制增益以及实现自动增益控制都可由具体的软件算法实现。采用128*64的图形液晶显示模块作为显示界面。
为了使放大器的实用性更好，我们还用PCF8583为系统扩展了掉电保护功能，可让预设的增益值长时间保持。
7．电源部分
电源提供+5V/1A、5V/0.5A 和15V/0.5A五路输出，以保证系统正常工作。
参数计算
A）输出5V电压时，输出的电流至少为1.5A，变压器输出电压为9.5V。
在0.01s内稳压器件输入级电压变化为：
=4.06V （式3-4）
式中，U=9.5V为变压器交流输出电压值，Ud=2.3为LM323K的最小管压降。1.4V为二极管压降。
滤波电容C为：
式中，ΔUIP-P为稳压器输入端纹波电压的峰峰值；
T为电容放电时间；
IC为电容放电电流，可取Ic=I0。
取标程值 C=4700uf
B）输出+15V电压时，输出的电流至少为0.5A，变压器输出电压为23.8V。
在0.01s内稳压器件输入级电压变化为：
=13.7V （式3-5）
滤波电容C为：
为了进一步减小纹波，取 C=3300uf
C）输出-15V电压时，输出的电流至少为0.5A，变压器输出电压为-23.8V。
与+15V计算方法相同，确定滤波电容为；
C=3300 uf （式3-7）
电路图
图3-8 电源电路
8. 去耦和降噪
（1）放大器级联时采用电容耦合，电容值依据通频带下限频率确定。
（2）放大器板上所有运放电源线及数字信号线均加磁珠和电容滤波。磁珠可滤除电流上的高频毛刺，电容滤除较低频率的干扰，它们配合在一起可较好地滤除电路上的串扰。其电路形式如图3-9所示。安装时尽量靠近IC电源和地。
（3）在两个焊接板之间传递模拟信号时用同 图3-9
轴线，以使传输阻抗匹配，并可减少空间电磁波对本电路的干扰。
（4）数字电路部分和模拟电路部分的电源严格分开，同时数字地和模拟地电源地一点相连。
（5）在BUF634的输入端及AD844的输出端都并联有小电阻，以提高系统抗干扰能力，使系统更加稳定。
四：系统软件设计与控制算法分析
1．软件功能和结构
本系统软件采用结构化程序设计方法，功能模块各自独立，包括系统初始化、程控放大模块、自动增益控制模块、测量电压有效值、按键处理模块和显示模块。软件主体流程图如下图4-1所示。
图4-1主程序流程图 图4-2自动增益控制流程图
2．功能模块算法设计
（1）有效值测量模块 该模块利用峰值检波方式实现电压有效值的测量。采集峰值时，采取的是采样10次、均值滤波的方式，从而减小误差，使测量更准确。所测电压的有效值与A/D的值成线性对应关系，多测量几组数据，再由式3-3求出有效值。
（2）程控增益模块 增益控制字由式2-5确定。为了保护系统，软件对设置的增益范围进行了限定，当超出0~60dB时，则视为无效输入，并显示相应提示。
（3）自动增益控制（AGC）模块 当执行AGC功能时，输出信号经过检波后，由A/D转换送入单片机，然后与AGC输出电压范围的最大值和最小值作比较，根据三者之间的大小关系改变程控放大器的增益。单片机每次读取A/D的值经过运算输出控制电压总共需要60us左右的时间，本设计中软件增益控制约为100个执行周期，即。因此软件AGC的时常数约为6ms。根据不同的要求设定软件可方便的实现可变时常数AGC。其流程如图4-2所示。
（3）按键处理模块 此系统的按键功能包括选定设计要求的九级增益（数字键1～9）、任意增益（10dB～60dB）预设、AGC功能、日期时间的显示和预设。其中增益预设对输入数据的范围进行了限定，当输入数据超出范围时，显示相应的错误提示。
（4）显示模块 采用128*64的图形液晶显示模块显示预设的增益值以及输出电压的有效值，形象直观。预设时采用反显字符的方式提示正在进行的操作，界面友好。
（5）掉电保护功能 使用实时日历钟芯片PCF8583显示当前的时间、日期，并可对其预设，还利用其内部的低压RAM实现了掉电保护功能。
五：系统测试
测试条件
室温25℃，工频220V交流电源
测试仪器
胜利仪器 DT890 数字式万用表
Agilent 33120A 信号发生器 15MHZ
Tektronix TDS 210 数字示波器 60MHZ
测试方案、结果与结果分析
输入阻抗测试
图5-1 阻抗测试 图5-2 幅频特性测试
如图5-1连接，用示波器测量V和Vi,则输入电阻为：
= （式5-1）
表5-1 （R=1.2KΩ）
f(Hz) 5K 10K 20K 80K 500K 1M 2M 4M 6M 8M
V(mV) 468 424 420 420 424 420 420 408 400 392
Vi(mV) 170 148 172 172 168 172 152 156 148 128
Ri(K) 1.14 1.07 1.39 1.39 1.31 1.39 1.13 1.24 1.17 0.97
结果分析：经过测量，在5KHz到6MHz范围内满足输入阻抗1K，满足并超过了设计要求。
幅频特性测试
测试电路连接如下图5-3-2，改变不同频率，分别测试输入、输出电压，按下式计算增益，得出幅频特性。
， G=20lg AV （式5-2）
表5-2
f（Hz） 7K 10K 20K 500K 2M 5M 6M 12M
2.00 2.00 2.00 2.00 1.92 1.96 1.88 1.64
13.0 15.0 17.2 19.2 18.2 18.0 17.6 10.8
6.50 7.50 8.60 9.60 9.50 9.18 9.36 6.59
G（dB） 16.3 17.5 18.7 19.6 19.6 19.3 19.4 16.4
结论：由上表可看出，本放大器的3dB 带宽为7KHz~12MHz， 在20KHz~6MHz频带内增益起伏1dB ，满足并超过了题目的要求。
最大增益 G max=，电路接法同图（5-2）
表5-3
F 10K 50K 500K 6M
Vop-p（V） 17.0 19.8 20.0 21.6
Vip-p（mV） 20 20 20 20
Gm（ dB ） 50.6 52.0 60.0 52.7
结果分析，本放大器的最大增益满足了发挥部分58dB 的要求，并达到了60 dB。
增益步进测试 测试电路如下图所示：
图5-3 增益步进测试
6dB步进测试
G设（ dB ） 10 16 22 28 34 40 52 46 58
Vi（mV） 50 50 50 50 20 20 20 20 20
V0（V） 0.161 0.364 0.632 1.240 1.030 1.900 7.440 4.080 16.200
V0/Vi 3.22 7.28 12.64 24.80 51.50 95.00 372.0 204.0 810.0
G测 10.2 17.2 22.0 27.9 34.2 39.6 51.4 46.2 58.2
| -G设| 0.2 1.2 0.0 0.1 0.2 0.4 0.6 0.2 0.2
表5-4 f=500kHz
结论：从上表可看出，6dB步进时测试的增益与预置的增益最大差值为1.2dB，达到发挥部分的要求。
2dB 步进测试表
表5-5 f=500kHz
G设（ dB ） 42 44 46 48 50 52 54 56
Vi（mV） 20 20 20 20 20 20 20 20
V0（V） 2.61 3.03 4.04 5.14 5.97 8.15 9.91 13.12
V0/Vi 130.5 151.5 202.0 257.0 298.5 407.4 495.5 660.7
G测 42.3 43.6 46.1 48.2 49.5 52.2 53.9 56.3
| G测-G设| 0.3 0.4 0.1 0.2 0.5 0.2 0.1 0.3
结论：由上表可以看出，预设增益2dB步进时测试的增益与预置的增益最大差值为0.5dB，达到发挥部分的要求。
输出有效值显示测试
改变输入信号的幅度，观察不同输出电压时的示波器显示值与液晶显示值，比较并计算出其误差。测试结果如下表：
表5-6 f=1MHz G=20dB
Vi(mV) 5 25 50 100 200 300 400 500 560 580 600
Vo液晶（V） 0.30 0.30 0.37 0.89 1.90 2.96 3.93 4.92 5.71 5.78 5.78
（V） 0.05 0.25 0.50 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 5.60 5.80 6.00
0.25 0.05 0.13 0.11 0.10 0.04 0.07 0.08 0.11 0.02 0.22
测试结论：从上表可以看出，单片机测试显示的电压有效值在0.5V～5.8V之间时，误差较小。在此范围外，由于A/D的限制，无法正常测试显示。（前面已论述）
最大有效值输出
图5-4 最大有效值输出测量
设置增益G=40dB，调节使输出最大且不失真。
表5-7
f（Hz） 50K 100K 1M 2M 5M 6M
（V） 9.10 9.00 8.54 7.50 7.79 7.16
结论：在输出信号不失真的情况下，通频带内最大输出电压有效值大于6.00V，满足并超过设计基本及发挥部分的要求。
（6）AGC性能测量
切换电路到AGC功能，使输入信号从一个较小值逐渐增大，观察输出，找出输出能够稳定在4.5V～5.5V之间的输入信号范围。
图5-5 AGC性能测量
表5-8 f= 500kHz
Vi（mV） 50 100 500 800 1000 2000 5000 10000
Vo 4.89 4.86 5.22 5.17 5.25 5.00 5.23 5.30
结论: 经测试，输入信号幅值从50mV～10V之间变化时，输出能够稳定在4.8V～5.3V之间。所以，AGC控制系统的调整范围为 ，输出电压有效值稳定在4.8V到5.3V之间，满足了设计发挥部分的要求。
（7）输出噪声测试
图5-6 输出噪声测试
结果分析： 经测试，在增益为58dB 情况下，输出噪声电压峰-峰值为300mV , 满足题目要求。
（8） ‘其他’项功能测试
A：自动计时和校时功能
能够实时地显示年、月、日、小时、分钟和秒的时间信息。
B：掉电保护功能
在前面程控功能完成的前提下测试, 观察系统断电前后初始增益值是否改变。测试结果如下表：表5-9
断电前（dB） 10 28 40
重启后（dB） 10 28 40
结论：具有计时和校时的功能，掉电保护功能正常。
C. 输出限定提示
我们设定放大器的增益范围为8dB～60dB,当设定增益超过这个范围时，液晶将显示“Input Over!”的提示。经测试，此功能实现完好。
（9）电源测试
三路负载均为1K，用示波器测电压。
图5-7 电源输出电压测试
表5-10
+5V +15V -15V
输出电压（V） 4.97 14.87 -14.87
当输出电压降至95%时，电流为最大输出电流。
图5-8 电源最大电流测试
表5-11
+5V +15V -15V
最大电流（A） 1.50 0.56 0.67
给三路电源同时加上500的负载，用示波器测其纹波。
图5-9 稳压电源纹波测试
表5-12
+5V +15V -15V
纹波电压（mV） 12 15 18
结果分析：电源的各项参数均满足设计要求。
六：总体结论
综合上述各部分的测试结果：本设计圆满地完成了题目基本部分的要求，还较好地完成了题目发挥部分的要求并扩展了掉电存储和输入限定等功能。前级降压、后级升压的设计不但扩展了AGC的范围，还提高了输出电压幅度。各种去耦和降噪措施的综合应用保证放大器稳定工作并且降低了噪声如果能对输出增益进行进一步实测校正或者使用性能更好的器件，还可以进一步提高指标。
七．附录：
参考文献
（ 1 ）《电子线路设计、试验、测试》 谢自美主编 华中理工大学出版社出版
（ 2 ）《第四届全国电子设计竞赛获奖作品选编》第三届全国电子设计竞赛组委会编 北京理工大学出版社出版
（ 3 ）《全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选 1994-1999 》
全国大学生电子设计竞赛组委会编 北京理工大学出版社
（ 4 ）《 MCS-51 系列单片机应用系统设计》何立民编著 北京航空航天大学出版社出版
（ 5 ）《电子测量》 刘国林 殷贯西等编著 机械工业出版社出版
（ 6 ）《一种性能优良的自动增益控制电路》 张淑娥 杨再旺 李文田 华北电力大学
2.整个系统完整的电路图
（1）主要功能实现电路
（2）最小系统板
（3）电源部分
3．重要芯片资料
器件特性：
·“Linear in dB”Gain control
·pin programmable gain ranges -11dB to +31dB with 90MHz
·1.3 input noise spectral density
·线性增益（以dB为单位）控制；
·1.3输入噪声谱密度；
·275输出信号压摆率；
·90MHz 带宽下可实现-11dB到+31dB增益变化范围；
·0.5 dB典型增益控制精度；
·带宽独立于可变增益。
BUF634特性：
·HIGH OUTPUT CURRENT: 250mA
·SLEW RATE: 2000V/s
·PIN-SELECTED BANDWIDTH:
30MHz to 180MHz
·WIDE SUPPLY RANGE: 2.25 to 18V
AD 844特性：
·Wide Bandwidth: 60 MHz at Gain of –1
·Wide Bandwidth: 33 MHz at Gain of –10
·Very High Output Slew Rate: Up to 2000 V/_s
·20 MHz Full Power Bandwidth, 20 V p-p, RL = 500 _
·Fast Settling: 100 ns to 0.1% (10 V Step)
·Differential Gain Error: 0.03% at 4.4 MHz
·Differential Phase Error: 0.158 at 4.4 MHz
·High Output Drive: 650 mA into 50 _ Load
·Low Offset Voltage: 150 mV Max (B Grade)
·Low Quiescent Current: 6.5 mA
·Available in Tape and Reel in Accordance with
·EIA-481A Standard
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