宽带放大器的设计及研究

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1、系统设计方案论证和比较1.1系统总体设计及原理方框图整体电路方框图如图2-1所示。采用新型STC89C58RD单片机作为控制器，实现增益控制和人机对话。放大部分有前级跟随、可控增益放大和后级放大三部分构成。前级缓冲可以提高放大器的输入阻抗，后级放大实现电压放大和负载驱动。其中加入滤波装置，设计10MHz的LC巴特沃斯低通滤波器来提高系统控制效果。用户通过矩阵键盘预置增益值，单片机通过高精度DA转换产生控制电压实现对放大器增益的精确控制。AD转换将输出电压的有效值送回给单片机，实现液晶显示。图2-1系统原理方

2、框图1.2方案论证和比较1.2.1前级放大部分方案一：采用共源共基差分式放大电路，该电路具有较高的输入阻抗，并且共基电路一方面可以扩展电路高频响应，同时又将共源电路负载电路隔离，使负载电阻产生的热噪声经过Cgd耦合到输入端，可以达到提高抗噪声性能。但这种电路结构其抗噪声能力关键取决于所用器件，由于特性一致的晶体管和场效应管不容易购买，若采用一致性稍差的管子，其抗噪声性能会明显降低。[5]方案二：使用宽带运算放大器，采用电压跟随器形式30可以抑制共模信号降低噪声，并能提高输入阻抗。方案比较：方案二其抗噪性能不

3、一定优于方案一，但电路形式简单，易于调试，并且期间易于购买，能够满足题目的输入阻抗的要求故选取该方案。1.1.1可控增益放大部分方案一：采用分立元件。利用高频三极管构成多极放大电路实现满足增益40dB要求，同时用二极管在输出端检波产生电压反馈，实现自动增益控制的目的。由于采用分立元件，致使电路复杂，不易实现增益的精确控制，电路稳定度差，容易产生自激，频带内增益的稳定也不易实现。方案二：选择高速、宽带放大器，组建两级放大电路，可以用继电器或模拟开关构成电阻网络。通过单片机控制继电器的导通与关断，来选择不同的增

4、益调节。但是控制的数字量和最后的增益(dB)不成线性关系而是成指数关系，造成增益调节不均匀，精度下降。同时，如果使用模拟开关，其导通电阻较大，而且各通道信号会互相干扰，容易影响系统性能。方案三：直接选择可控增益放大器AD603实现，其内部有梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯形网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定；而这个参考电压可通过单片机进行运算被控制D/A转换器输出控制电压得到，从而实现精准的控制。此外AD603能提供30MHz以上的带宽，两级级

5、联后得到40dB以上的增益，这种电路有优点电路集成度高，条理清晰，控制方便，易于数字化处理。不足之处是两级可变增益放大器串联会导致零点漂移过大，有可能造成同频带下降，波形失真等不良影响。方案四：采用可变增益放大器和固定增益放大器结合方式，通过继电器的通断来控制固定增益放大器的使用与否。当设定增益较低时，只使用可变增益放大器进行调节；当设定增益较高时，可变增益放大器无法单独完成增益放大要求，通过继电器的切换选择，固定增益放大器投入使用，即可完成任务要求。解决了两级可变增益放大器串联导致零点漂移过大，但需要元器

6、件难以获得，并且控制规律复杂，不易进行程序设计。[6]方案比较：方案一采用分立元件，弊端极多，不予考虑；方案二存在阻抗匹配的问题，而且自行搭建的电阻网络，可能会导致系统干扰变大，且面临步进难以进一步细分的困难，且增益量（dB）不成线性；方案四能够较好的实现题目，但需要元器件难以获得，并且控制规律复杂，不易进行程序设计。现阶段很难实现。方案三可以达到步进0.2dB的精度，单片机易于控制，自动增益控制也可以通过软件方法来实现，考虑到可以实现系统要求，通过一些电路设计改进措施，可以抑制零点漂移，因此最终选择了方案

7、三。301.1.1功率放大部分方案一：采用晶体管单端推挽放大电路。该电路广泛应用于示波器、显像管中。通过多级深度负反馈和各种回路补偿扩展通频带。为获得较低的通频带下限频率，可用直接耦合方式，而直接耦合的多级放大器工作点调试繁琐，需要较丰富的实践经验。并且若要得到较高的输出电压，晶体管放大电路对电源电压要求较高。[7]原理图见图2-2。图2-2功率放大部分方案一原理图方案二：采用高速、宽带放大器AD811作为后级放大。AD811的单位增益带宽为140MHZ，摆率为2500V/uS，输出电流可达100mA，完全

8、可以满足要求。方案比较：方案二采用集成运放电路简单，干扰较少，很容易实现放大器的稳定性和带内幅度稳定的要求；方案一采用分立元件虽节省了成本，但系统干扰可能会较大，调试也比较麻烦，综合考虑选择方案二。1.1.2有效值检测部分方案一：利用高速ADC对电路进行一周期数据采样，将一周期内的数据输入单片机并计算其均方根值，即可得出电压有效值（式2－1）。此方案具有抗干扰能力强、设计灵活等优点，但是调试困难，需要高速AD进行