寬帶直流低噪聲放大器設計電子類畢業設計論文(已修改)

　

【正文】 南京師范大學電氣與自動化工程學院畢業設計論文目 錄摘要 1Abstract 2第1章 緒論 3 3 3 4第2章 系統的設計方案論證 5 5 前級緩沖電路方案論證 5 6 6 7 系統處理器的選擇 7 系統顯示的選擇 7 8第3章 系統的理論分析與計算 9 帶寬增益積分析 9 通頻帶內增益起伏控制分析 10 抑制零點漂移分析 10 11 線性相位分析與計算 11 12第4章 系統的電路原理和設計 13 前級跟隨電路設計 13 13 壓控運放AD603原理與電路 14 控制電壓產生電路 15 濾波電路設計 17 末級功率放大電路 18 20 液晶接口電路 20 鍵盤接口電路 21 穩壓電源電路 23第5章 系統的軟件設計 25 系統總體軟件設計 25 液晶顯示部分軟件設計 26 28 I2C總線軟件設計 28 ZLG7290軟件設計 30 單片機控制DA產生電壓模塊軟件設計 32第6章 系統調試及測試結果 34 調試過程中若干問題的解決 34 系統防干擾措施 34 電路設計中遇到的問題及解決方案 34 35第7章 總結與展望 37 總結 37 展望 37參考文獻 38致 謝 3940摘要寬帶直流低噪聲放大器技術是當今電氣控制與通訊領域技術發展的熱點之一。它的出現，標志著工業控制技術與通訊領域又一個新的突破，并將對這些領域的發展產生重要影響。本次設計，充分的利用了數字系統以模擬的優點并結合了單片機預置和控制增益放大器，這使系統的精確度和可控性得到了大大的提高。前級緩沖級采用超寬帶高壓運放OPA642做電壓跟隨輸入級，中間放大級采用壓控放大器AD603配合AD818的濾波電路，末級級功率放大級是使用低噪聲的運放和高壓高速緩沖器搭配，使輸出電壓的有效值得到提高。利用單片機及數字算法控制信號得到了合理的前級放大和精確的放大倍數，同時由液晶顯示屏顯示出來。論文詳細闡述了該課題的設計方案，前級緩沖級、中間放大級、末級級功率放大級電路設計，介紹了硬件構造和程序流程，最后介紹了該系統的初步實驗結果和系統下一步開發的展望。關鍵字 ：寬帶直流低噪聲放大器，前級緩沖級，中間放大級，末級級功率放大級AbstractThe technology of Broadband Low Noise Amplifier DC is one of the hotspots of technological development in the field of electrical control and munications today. Its appearance marked a new breakthrough in the field of industrial control technology and munications. And it will have a major impact on the development of these areas.The design full use of the advantages of digital systems simulation and bined with SCM preset and control gain amplifier, which makes the system accuracy and controllability improved greatly. The front buffer stage use ultra broadband highvoltage operational amplifier OPA642 as voltage follower input stage, the middle amplification use the filter circuit which posed by voltagecontrolled amplifier AD603 and the AD818, the final stage power amplification stage is to use lownoise amplifier and highvoltage highspeed buffer to improve the RMS of output voltage. Using single chip and digital control signal algorithm have obtained reasonably Preamplifier and accurate magnification, while the LCD display. The paper described the design of the subject in detail, the front buffer, the middle zoom level, the final stage power amplification stage, and its circuit design, introduced the hardware structure and program flow, and finally presented the preliminary results of the system and the systematic next development prospects.Keywords: Broadband DC low noise amplifier, the front buffer, the middle zoom level, the final stage power amplification stage第1章 緒論隨著我國國民經濟的發展和綜合國力的增強，人民的生活質量獲得很大提高。隨著科技和通訊技術的高速發展和應用，而以網絡技術為核心的信息通信技術的迅速滲入，極大擴展了放大器的應用范圍。寬帶放大器是通信系統和其它電子系統必不可少的一部分。這類電路主要用于對視頻信號、脈沖信號或射頻信號的放大。用于電視圖像信號放大的視頻放大器是一種典型的基帶型寬帶放大器，所放大的信號的頻率范圍可以從幾赫或幾十赫的低頻直到幾兆赫或幾十兆赫的高頻。寬帶放大器還用于時分多路通信、示波器、數字電路等方面的基帶放大器或脈沖放大器（帶寬從幾赫到幾十或幾百兆赫），用于測量儀器的直流放大器（帶寬從直流到幾千赫或更高），以及音響設備中的高保真度音頻放大器（帶寬從幾十赫到幾十千赫）等。此可知寬帶放大器在通信系統中起到非常重要的作用，對于它的要求也越來越高。寬帶直流低噪聲放大器技術是當今電氣控制與通訊領域技術發展的熱點之一，被譽為電氣內領域內的樞紐。它的出現，標志著工業控制技術與通訊領域又一個新的突破，并將對這些領域的發展產生重要影響。超寬帶（UWB）技術始于20世紀60年代脈沖通信技術，利用頻譜極寬的超短脈沖進行通信。主要用于雷達、定位和通信系統中。低噪聲放大器(low noise amplifier 簡稱LNA)是超寬帶接收機系統中的重要模塊之一。在成熟的窄帶低噪聲放大器研究的基礎上，超寬帶低噪聲放大器的研究的基礎上，超寬帶低噪聲的研究的研制得到了飛速的發展。從2002年超寬帶批準應用于民用以來，各個大學和研究機構都爭相對超寬帶低噪聲寬帶放大器進行研制。超寬帶LNA與窄帶LNA設計有所不同的是：(1)要在超寬帶內實現輸入輸出匹配；(2)要在帶內有平坦的增益。(3)受到有源器件的增益乘積的限制。目前低噪聲放大器的技術已經比較成熟，UWB LNA伴隨著半導體技術的進步而得到飛速的發展。目前難點和熱點是如何提高低噪聲的噪聲性能。線性度和帶寬，進一步降低電壓合功耗實現單片機的集成；由于UWB系統有著較高的科研性和廣闊的市場的前景，因此設計高性能的超寬帶LNA是很有研究價值。在應用的場景下，如果信號過小，混頻器無法檢測。信號過大又對后級造成過載。如果在信號幅值變化的情況下，這就要求LNA的增益可調。其次，具有可調功能，能適用實際應用中的各種需要，具有更大的靈活性。再次，增益和功耗有一定的關系。具有增益可調功能的低噪聲放大器可以很好地降低功耗。目前提出的窄帶的增益可調的低噪聲放大器，但是具有連續增益可調功能的超寬帶低噪聲放大器還沒人提出，因此本課題具有一定科研首創性。根據本次課題的要求，我們認真取舍，充分的利用了數字系統以模擬的優點并結合了單片機預置和控制放大器，這使系統的精確度和可控性得到了大大的提高。后級放大器是使用低噪聲的運放和高壓高速緩沖器搭配，使輸出電壓的有效值得到提高；利用單片機及數字算法控制信號得到了合理的前級放大和精確的放大倍數，同時由液晶顯示屏顯示出來。電壓增益AV≥60dB，輸入電壓有效值Vi≤10mV，AV可在0～60dB范圍內手動連續調節。最大輸出電壓正弦波有效值Vo≥10V，輸出信號波形無明顯失真。電壓增益AV可預置并顯示，預置范圍為0～60dB，步距為1dB；放大器的帶寬可預置并顯示（在5MHz、 10MHz 兩點）。放大器的輸入電阻≥50W，負載電阻（50177。2）W。3dB通頻帶0～10MHz；在0～9MHz通頻帶內增益起伏≤1dB。人機接口友好，該系統采用128*64大屏幕液晶顯示器對參數和各種信息進行顯示，并具有簡單明了的按鍵，方便用戶進行設置。制作此次設計所用的電源。本次課題設計放大器的幅頻特性曲線如圖11所示。、圖11 放大器的幅頻特性曲線第2章 系統的設計方案論證根據放大器設計的要求指標，帶寬和增益要求，放大器的帶寬要求可選，為10 MHz和5 MHz，增益在0～60dB連續可調，并且要求能夠在50Ω的負載提供有效值為10V的正弦波輸出。針對上述要求，認真考慮實行方案，認為放大器可以分為5個模塊來設計分別是前者緩沖級，中間放大級和帶寬選擇，末級功率放大，增益帶寬控制顯示部分和直流穩壓電源。整體系統圖如圖21所示。末級功率放大前級緩沖級中間放大級和帶寬選擇帶寬增益控制顯示直流穩壓電源圖21 系統框圖 前級緩沖電路方案論證前級沖電路，要求能提高輸入電阻在50Ω以上，并且能要能初步濾掉信號中的噪聲。方案一 ：采用三級管等分立元件搭，采用NSC公司的2N3904和2N3906的三級管可以構成共射級做輸入緩沖電路，帶寬能達到25 MHz，但是還要在搭后級電流消除電路的直流偏置，還要電路對小信號跟隨效果不是很好，所以該方案很難滿足系統的要求。方案二： 。可見做電壓跟隨器是帶寬完全能滿足設計要求而且在通頻帶內很平坦，所以采用OPA642作為前級緩沖級。圖22 OPA642小號幅頻特性方案一 ：采用帶寬寬帶增益積得運算放大器制作多級放大電路。以OPA842為例，利用OPA842寬帶增益積打的特點，使輸入的小信號充分放大。再用其他電流型運放放大至有效值10V。但是這種方法采用數字電位器作為電路中的調節增益的部分，但是一般的數字電位器截止頻率較低。例如XP9C10系列的截止頻率僅有1MHz左右，給電路的設計帶來很大的不方便。方案二 ：采用帶寬寬帶增益積得運算放大器構建出增益為60dB的電路。再用乘法器來控制輸入信號的幅值。該方案結構簡單，控制也方便。但是只能適用小信號，對稍大的信號就會始終。方案三 ：采用集成寬帶的可調的增益放大器。以AD603為例，單片的AD603可以有40dB的可調的增益范圍。在10～30dB的模式下有90MHz的帶寬，可以很好的滿足要求。對于60dB的要求可以串聯兩級AD603來實現。并且AD603采用電壓控制放大，增益與控制電壓成線性關系，能夠很方便的通過單片機配合DAC