宽带直流放大器(设计报告)-江帆

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1、宽带直流放大器江帆、胡斌、王泽强摘要:本系统采用宽带压控增益放大器VCA810来实现增益可调，由前级放大模块、增益控制模块、带宽预置模块、后级功率放大模块、键盘及显示模块和电源模块组成，具有宽带数字程控放大功能。在前级放大电路中，用宽带电压反馈型运算放大器OPA690和宽带压控运算放大器VCA810放大输入信号，再经后级THS3091功率放大电路将电压放大十倍，并增大输出电流，增强负载驱动能力，提高输出电压有效值范围。经验证，本方案完成了全部基本功能和部分扩展功能。关键字：压控增益放大器；功率放大；宽带数字程控一．系统方案论证1.1可控增益放大器部分方案

2、一：采用场效应管或三极管控制增益。只要利用场效应管的可变电阻区（或三极管等效为压控电阻）实现程控增益，本方案由于采用大量分立元件，电路复杂，稳定性差。方案二：为了易于实现最大60dB增益的调节，可以采用高速乘法器型D/A实现，比如AD7420。利用D/A转换器的VRef作为信号的输入端，D/A的输出端做为输出。用D/A转换器的数字量输入端控制传输衰减信号实现增益控制。此方案简单易行，精确度高，但经实验知：转化非线性误差大，带宽只有几kHz,而且当信号频率较高时，系统容易发生自激，因此未选此方案。方案三：根据题目对放大电路增益可控的要求，考虑直接选取压控增

3、益运算放大器VCA810实现，其特点是以dB为单位进行调节，可调增益-40dB至+40dB，可以用单片机方便地预置增益。综合以上的分析可知，方案三电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化程控处理。所以本系统采用方案三。1.2滤波部分为了达到题目要求的5M和10M带宽，需制作两路低通滤波器电路。方案一：由无源器件（电阻、电容、电感）构成八阶椭圆滤波器，电路比较简单，成本低，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应。方案二：为达到通频带内增益起伏≤1dB，采用四阶巴特沃斯低通滤波器。

4、巴特沃斯滤波器特点是通频带内频率响应曲线最大限度平坦，虽然阻带内缓慢下降，但可以增加阶数来加快阻带内的衰减。9由于用Tina仿真软件设计出来的八阶椭圆滤波器需用的器材（电阻、电容、电感）很难找到或组合成相近的值，而用Tina仿真软件设计出的四阶巴特沃斯低通滤波器幅频特性较好，所以选择了方案二。1.3功率放大部分方案一：用分立元件，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：采用高输出电压运放作为功率输出部分的第一级，对信号进行电压放大；第二级采用推挽射级跟随器进行电流放大。由

5、于采用分立元件，通频带内信号可能出现较大失真，线性度不好。方案三：直接使用高电压输出、低失真、电流反馈型的运算放大器THS3091，可以大大提高输出电流，驱动50欧的负载。综上分析可知，方案三简单易行，而且由于采用单芯片，系统体积大大减小，完全满足题目要求。所以本系统采用方案三。二．理论分析与参数计算2.1带宽增益积带宽增益积(GBP)是这是用来简单衡量放大器的性能的一个参数，这个参数表示增益和带宽的乘积。按照放大器的定义，这个乘积是一定的。题目中要求放大器最大电压增益AV≥60dB，即Gain≥1000V/V。放大器的通频带0～10MHz，所以本放大器

6、的带宽增益积为GBP=1000*10M=10G单个放大器是很难达到10G的GBP，所以我们考虑多级放大器级联。经过查阅手册，VCA810的带宽为35MHz，OPA690的GBP为500M，THS3091的带宽为210MHz(G=2,RL=100Ω)，足以达到题目要求。2.2通频带内增益起伏控制题目中要求通频带内增益起伏≤1dB，本设计采用的是四阶巴特沃斯滤波器，巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，虽然在阻频带内缓慢下降为零，但可以通过增加滤波器阶数来加快阻带内的衰减，符合题目要求。经过滤波器设计软件Tina，发现四阶巴特沃

7、斯滤波器可满足题目要求。如图1所示电路是由低通R1-C1级，以及后面由R2，C2的积分器和运算放大器组成，可得HOLP=-,9图1多重反馈低通滤波器2.3放大器稳定性分析1、生自激振荡的条件及原因：设多级点反馈放大器的闭环增益函数Af(s)=A(s)/[(1+A(s)B(s)]=A(s)/[(1+T(s)]令s=jω，则稳态频率响应Af(jω)=A(jω)/[(1+A(jω)B(jω)]=A(jω)/[(1+T(jω)]（1-1）上式中，若在某一频率ωosc上，满足环路增益T(jωosc)=-1，则T(jω)=T(jωosc)•ejyT(ωosc)=-1

8、式中T(ωosc)=

9、T(jωosc)

10、=1（1-2）yT(ωosc)=±π（1