功率放大器9.doc
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摘要
基于Atmega128AVR单片机为控制器，以可控增益放大器AD603为核心，结合低噪声固定增益运算放大器OPA620，设计并实现了宽带直流放大器；系统主要由固定增益放大、可控增益放大、通频带选择网络、后级功率放大、单片机显示控制电路五个模块组成。
可控增益放大电路由两级AD603构成，可实现-20dB~60dB的调节范围，固定增益放大电路根据OPA620的零点漂移特性，采用放大电路多级反向输入，有效的抑制了零漂，后级功率放大电路中加入频率补偿，可有效抑制通频带内增益起伏的变化。
经测试，系统放大倍数为0-60dB，通频带内增益起伏≤1dB；由外置键盘实现增益可控预置或5dB步进，且由LCD12864液晶屏同步显示增益预置值和增益步进值，系统整体性能良好，能够实现题目的所有基本要求和发挥部分的指标。
关键词：
宽带放大器；可控增益；AD603；抑制零漂；功率放大
一、方案设计
1、方案比较与论证
（1）可控增益放大
方案一：
采用可编程放大器的思想，将输入交流信号作为高速DAC的基准电压，用DAC的电阻网络构成运放反馈网络的一部分，通过改变DAC数字控制量实现增益控制。
理论上讲，只要DAC的速度足够快、精度足够高就可以实现很宽范围的精密增益控制，但是控制的数字量和最后的（dB）不成线性关系而成指数关系，造成增益调节不均匀，精度下降，因此不选用此方案。
方案二：
选用高精度、低噪声集成可控增益放大器作为增益控制，集成可控增益放大器的增益与控制电压成线性关系，控制电压由单片机控制DAC产生。
集成可控增益放大器AD603采用90MHz典型电路接法具有-10dB到+30dB的增益控制范围，通过直接耦合固定增益放大电路，可以达到题目增益要求，并且外围电路简单，便于调试，故采用此方案。
（2）功率放大器选择
方案一：
选用分离元件搭建，可以实现较大输出电压，但是电路高频分布参数影响较大，带宽难以保证，同时静态功耗较大，电源利用率不高。
故不选用此方案。
方案二：
采用单片集成宽带运算放大器。
首先通过高压、低噪声THS3091提供较高的输出电压，再通过并联一对孪生功放管D669A和B649A进行扩流输出，达到功率放大。
整个电路设计频率补偿，可有效抑制通频带内增益起伏的变化，且电路简单，容易调试。
因此选择方案二。
（3）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至几百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。
综上所述，选择方案一中的串联型稳压电源。
2、总体方案
（1）总体思路
以Atmega128AVR单片机为控制器，输入信号通过固定增益级放大，可控增益放大，再经过通频带选择网络选择通频带，由末级放大器输出。
通过键盘实现增益和带宽预置，根据预置的增益数控制14位DAC904输出对应的直流电压控制AD603的放大增益，根据选择的增益带宽控制继电器选通不同的滤波器，实现不同带宽选择，同时将预置结果送LCD12864显示。
（2）系统总体框图
图1系统总体框图
二、理论分析计算
1、带宽增益积
按照题目发挥部分的要求，信号通频带为0～10MHz，最大电压增益AV≥60dB，则增益带宽积为：
10M×10^（60/20）=10GHz，我们采用分级放大的方式，使放大器整体增益超过60DB。
2、增益分配
本系统以可控增益放大器AD603为核心，90MHz带宽典型电路接法增益调节范围为-10～30dB，其它各单元电路都是根据AD603及题目要求设计。
题目要求最大增益要大于60dB，最大输出电压有效值大于等于10V，输入电压有效值小于等于10mV，前级OPA642电压跟随和三级OPA620固定放大电路增益设置40dB，而程控放大器AD603对输入电压和输出电压均有限制，考虑到AD603的供电电压较低，输出电压最大峰峰值为6.6V，所以要适当减小电压程控范围，使AD603的输出波形不失真，因此取两级AD603级联压控为-0.5v~0v，增益为-20dB~20dB，设置后级TH3091放大20dB，则由固定放大、程控放大和功率放大级联实现40dB~80dB的增益放大，通过衰减网络衰减40dB，实现系统0dB~40dB的调节，系统总体可以实现0dB~80dB调节范围。
3、通频带计算
图2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。
图2通频带计算原理图
如图2所示，系统通频带由两级OPA642、OPA620、OPA603、THS3091HV和B649A、D669A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：
|Au（f）|=|AuI|/（（1+（f/f642_1）^2）（1+（f/f620_2）^2）（1+（f/f620_3）^2）（1+（f/f620_4）^2）（（1+（f/f603_5）^2）（（1+（f/f603_6）^2）（1+（f/f3001_7^2）（1+（f/f649669_5）^2））^1/2式中：
f642=133.3MHz,f620=66.7MHz,f603=90MHz,f3001=100MHz,f649=140MHz,为器件资料中相应运放的通频带，AuI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带宽大于10MHz,符合题目要求。
4、抑制直流零点漂移
本系统放大部分主要由固定增益级、可控增益级和功率放大级这三级组成，由于系统为宽带直流放大器，所以各级之间必须采用直流耦合方式。
系统的直流零漂由三级共同决定，每一级电路都会产生零点漂移，固定增益放大电路根据OPA620的零点漂移特性，采用放大电路反向级联输入，有效的抑制了零漂。
而且程控级电路的直流偏置对系统影响较大，可设置偏置电路进行调节。
三、硬件电路设计
1、固定增益放大电路
固定增益放大电路由三级OPA620反向级联组成，如下图3所示。
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。
由OPA620的幅频和相频特性（如下图4所示）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。
固定增益放大电路采用三级OPA620反向级联放大，增益达到40dB。
图3固定增益级放大电路
图4OPA620的幅频和相频特性
2、可控增益放大电路
本系统可控增益放大电路采用AD603为控制核心，两级AD603采用90MHz带宽典型电路接法具有-20dB~20dB的增益调整范围，增益控制响应时间小于1μs每40dB的改变，控制电压由单片机控制14位DAC904产生，能够非常容易的实现增益设置。
图5AD603可控增益放大电路
3、通频带选择网络
通频带选择网络采用四阶低通椭圆滤波器实现，电路如图6和图7所示：
图65MHz低通滤波器图710MHz低通滤波器
4、功率放大电路
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=/可得，系统输出功率的最大值为=10^2/（50-2）=2.08W。
经前置放大和中放电放大后，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。
末级功率放大电路由电流反馈型运放THS3091HV和一对孪生功放管D669A和B649A（特征频率fT=140MHz，Ic=1.5A）直接耦合进行功率放大。
THS3091HV为高速、宽带电流反馈型运放，具有7300V/us高压摆率，当增益设为20dB时，其带宽为100MHz。
通过THS3091可进行电压20dB放大使放大器的总增益为62dB，孪生功放管进行电流放大达到功率放大的目的。
功放电路如图8所示:
图8功率放大电路
5、电源电路
电源需提供单片机、显示器、前置放大器、中间级放大器和末级放大器所需的不同电压。
电源电路原理图如附录3所示，三端稳压芯片7805、7905、LM317和LM337起稳压作用，2200uf电解电容、100uf和0.33uf瓷片电容起滤除纹波作用，输出分别为、提供给各单元电路。
电路如图9所示：
图9电源电路原理图
6、抗干扰措施
1、系统元器件尽量排布紧凑，连线尽量短，设置合理线宽实现阻抗匹配。
2、电路板采用附铜板接地，增大系统的接地面积，减小地线上的噪声。
3、单级OPA620产生的零点漂移是负漂移。
我们抑制漂移的方法是，输入信号从放大器采用多级反向级联方式，选用元件参数尽可能一致，这种方法可使相邻两级的漂移相互抵消，可达到抑制漂移的目的。
4、设计电路电压增益在通频带内波动较明显，通过对各级放大电路进行频率补偿，在电源端增加去耦0.1uF和100uF电容，电容电阻的引线部分要尽可能的短，将增益控制电路和功率放大电路分别装在屏蔽盒中，通过同轴电缆相连，避免级间干扰和高频自激，实验证明，可有效抑制通频带内增益起伏的变化，同时增加了放大器的稳定性。
四、系统测试
1、测试条件和测试仪器设备
系统容易受到温度和强磁场的干扰，测试时必须在室温且无强磁场干扰的条件下进行，并要确保供电电源的稳定性，测试仪器设备如下表1所示。
表1测试使用的仪器设备
序号
名称、型号、规格
数量
备注
出厂编号
1
Tektronix
1
Tektronix
C039070
2
函数信号发生器EE1642C
1
南京新联电子设备有限公司
07100042
3
数字万用表UT58E
1
UNI-T
3050030633
2．测试方法和测试结果
1、放大器的基本性能测试
测试方法：
用函数信号发生器产生15mv左右不同频率的正弦波送入测量，测试条件：
空载。
表2综合特性测试表
输入信号频率
输入信号峰峰值
输出信号峰峰值
放大倍数Av
增益（dB）
波形质量
1M
16mv
23.4v
1462.5
63.30191751
无失真
2M
15.8mv
22.6v
1430.379747
63.10902704
无失真
3M
15.2mv
20.6V
1355.263158
62.64047265
无失真
4M
13.4mv
18.6v
1388.059701
62.84816292
无失真
测试结果分析：
从数据可以看出，系统能够实现电压增益60dB。
最大输出正弦波有效值≥10V，信号波形无明显失真。
2、噪声测试
题目要求在A=60dB时，输出端噪声电压的峰峰值V≤0.3v，测试方法，空载下测量16mv输入不同频率输出信号的增益起伏，结果最大为200mv，满足题目对噪声的指标要求。
3、步进功能测试
测试条件：
系统在输入频率284Hz条件下，输入正弦波信号峰峰值１６.４ｍｖ通过矩阵键盘进行10ｄＢ步进测试。
表3步进特性测试表
输入信号峰峰值
输出信号峰峰值
放大倍数Av
增益（dB）
16.4
0.054
3.292682927
10.35099824
16.4
0.168
10.24390244
20.20930867
16.4
0.54
32.92682927
30.35099824
16.4
1.65
100.6097561
40.05280192
结果分析：
放大器能够实现10ｄＢ步进，误差较小。
五、结论
本系统输入电路采用OPA642电压跟随器电路，满足输入电阻≥50W，可以实现电压增益AV≥40dB，输入电压有效值Vi≤20mV，同时AV可在0～40dB范围内手动连续调节，最大电压增益AV≥60dB，程控能够准确实现５dB步进，最大输出电压正弦波有效值≥10V，信号波形无明显失真。
系统整体性能良好，可以满足所有基本要求和发挥部分的
（1）、
（2）、（4）、（6）、（8）项要求。
同时放大电路采用多级放大器反向级联，有效的抑制了零点漂移。
但是目前放大器的带宽还比较窄，原因是固定增益放大器增益带宽积所限制，需要级联更多固定增益放大器以提高带宽，目前正在改进当中，力求达到发挥部分所有要求。
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