畢業(yè)論文-寬帶直流放大器的設(shè)計(jì)制作(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 幾赫或幾十赫的低頻直到幾兆赫或幾十兆赫的高頻。這類放大器通常以電阻器為放大器的負(fù)載，以電容器作級(jí)間耦合。為了擴(kuò)展帶寬，除了使其增益較低以外，通常還需要 采用高頻和低頻補(bǔ)償措施，以使放大器的增益 頻率特性曲線的平坦部分向兩端延展 [10]。可以歸入寬帶放大器的還有用于時(shí)分多路通信、示波器、數(shù)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(cè)量?jī)x器的直流放大器（帶寬從直流到幾千赫或更高），以及音響設(shè)備中的高保真度音頻放大器（帶寬從幾十赫到幾十千赫）等。用于射頻信號(hào)放大的寬帶放大器（大多屬于帶通型），如雷達(dá)或通信接收機(jī)中的中頻放大器，其中心頻率為幾十兆赫或幾百兆赫，通帶寬度可達(dá)中心頻率的百分之幾十 [11]。國(guó)內(nèi)的 CMOS 工藝水平也在的不斷提 高，晶體管的特征頻率已近百吉赫茲。現(xiàn)在常用的寬帶直流放大器帶寬是從直流到幾千赫的水平 [12]。最新型的寬帶放大器的帶寬已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超越了傳統(tǒng)的產(chǎn)品， TI 新款寬帶電流反饋放大器可提供大于 450MHz 的帶寬 [13]。類似這些浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 3 應(yīng)用了新技術(shù)的產(chǎn)品層出不窮，推動(dòng)著科技的進(jìn)步。 寬帶放大器的參數(shù) 放大器的特性可以由 下列 參數(shù)來(lái)描述。 （ 1） 增益 ： 增益是指放大器能在多大程度上增大信號(hào)的幅值。該參數(shù)常用分貝（ dB）來(lái)度量。 用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，增益等于輸出幅值除以輸入幅值。（對(duì)功率放大器而言，用分貝表示的增益可以由此 關(guān)系式計(jì)算： G(dB)=10log(Pout/Pin)(Electrical)）。 （ 2） 理想頻率特性 ： 增益為常數(shù)，相移與頻率成正比。 即放大器對(duì)不同頻率的信號(hào)具有相同的放大量，并且對(duì)任何頻率的信號(hào)的相移均為零。 （ 3） 輸出動(dòng)態(tài)范圍 ： 輸出動(dòng)態(tài)范圍，常用 dB 為單位給出，是指最大與最小有用輸出幅值之間的范圍。因?yàn)樽畹偷挠杏梅凳芟抻谳敵鲈肼暎苑Q之為放大器的動(dòng)態(tài)范圍。 （ 4） 帶寬與上升時(shí)間 ： 放大器的帶寬（ BW）常定義為低頻與高頻半功率點(diǎn)之間的差值。因而也就是常說(shuō)的 3dB BW。有時(shí)也定義在其它的響應(yīng)容 差下的帶寬 （ 1dB， 6dB 等等。）。 舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)好的音頻放大器的－ 3dB 帶寬將在二十赫茲到兩萬(wàn)赫茲左右（正常人的聽(tīng)覺(jué)頻率范圍） [14]。 放大器的上升時(shí)間是指當(dāng)階躍信號(hào)輸入時(shí)，輸出端由其最終輸出幅度值 10%變化到 90%時(shí)所化的時(shí)間。 對(duì)于高斯響應(yīng)系統(tǒng)（或一個(gè)簡(jiǎn)單的 RC 振蕩回路），上升時(shí)間表達(dá)式為公式 。 Tr * BW = , 其中 BW 的單位是 Hz， Tr 的單位是秒 。 () （ 5） 建立時(shí)間與失調(diào) ： 是指輸出幅值建立于最終幅值的某個(gè)比值（比如 %）以內(nèi)時(shí)所花的時(shí)間。 （ 6） 回轉(zhuǎn)率 ： 回轉(zhuǎn)率 (slew rate)是指輸出電壓變量的變化率，常定義為伏特 /每秒（或微秒）。 （ 7） 噪聲 ： 是對(duì)在放大過(guò)程中引入噪聲多少的一個(gè)量度。噪聲是電學(xué)器件和元件中不受浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 4 歡迎卻無(wú)法避免的。噪聲由放大器零輸入時(shí)輸出的分貝或輸出電壓峰值來(lái)度量。 （ 8） 效率 ： 效率用來(lái)量度多少輸入能量是應(yīng)用于放大器輸出的。甲類（ A 類）放大器效率十分低下，約在 1020%之間，最大不超過(guò) 25%。現(xiàn)代甲乙類（ AB 類）放大器一般效率都在 3555%之間，理論值可達(dá) %。有報(bào)道說(shuō)商用的丁類（ D 類）放大器的效率可高達(dá) 97%。放大器的效率限制了總功耗中有用部分所占的比例。注意，效率越高的放大器散熱量越小，通常在幾個(gè)瓦特的設(shè)計(jì)中也無(wú)需風(fēng)扇。 （ 9） 線性度 ： 理想放大器應(yīng)當(dāng)是完全線性器件，但是實(shí)際的放大器僅在某些實(shí)際限制下是線性的。當(dāng)驅(qū)動(dòng)放大器的信號(hào)增大后，輸出也隨之增大，直到達(dá)到某個(gè)電壓值，使得放大器的某部分達(dá)到飽和從而不能再增大輸出了，稱之為截止失真 (削峰失真 )。有些放大器在設(shè)計(jì)中通過(guò)某種可控途徑來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，即以犧牲增益為代價(jià)換取較小的失真。其結(jié)果是一種補(bǔ)償效應(yīng)，即（如果放大器是音頻放大器的話）大大減少聽(tīng)起來(lái)不悅耳的聲音。 對(duì)于這些放大器，其增益比小信號(hào)時(shí)小 1dB 時(shí)的輸入功率（或輸出功率）定義為 1dB 補(bǔ)償點(diǎn)。線性度是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題，目前有很多技術(shù)來(lái)避免非線性帶來(lái)的影響，比如前饋、預(yù)矯正、后矯正、包跡抑制還原（波包消除重建）、用非線性元件實(shí)現(xiàn)線性放大（ LINC）、 CALLUM、 Cartesian 反饋。 浙江大學(xué)城市學(xué)院 畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 5 課題的要求 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)寬帶直流放大器及所用的直流穩(wěn)壓電源，該放大器能實(shí)現(xiàn)直流以 1MHz 以內(nèi)的交流信號(hào)的可變?cè)鲆孑敵觥Ｔ鲆娣秶鸀?040dB。增益調(diào)節(jié)步進(jìn)為 5 dB。帶寬可設(shè)置。 LCD 顯示放大器的的增益輸出量。該放大 器也可以手動(dòng)增益可調(diào)。該放大器能很好的應(yīng)用在多種信號(hào)變換場(chǎng)合。課題要求：（ 1）電壓增益AV≥ 40dB，輸入電壓有效值 Vi≤ 20mV。 AV 可在 0～ 40dB 范圍內(nèi)手動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)。可以按照 5dB 步進(jìn)調(diào)節(jié)。（ 2）最大輸出電壓正弦波有效值 Vo ≥ 1V，輸出信號(hào)波形無(wú)明顯失真。（ 3） 3dB 通頻帶 0～ 1MHz。（ 4）放大器的輸入電阻≥ 50 歐姆。 課題的 設(shè)計(jì)思路 要實(shí)現(xiàn)程控直流放大，就需要研究并設(shè)計(jì)以下幾個(gè)部分： +5V 與 5V的直流穩(wěn)壓電源，放大模塊，調(diào)零電路，檢波電路，單片機(jī)。由直流穩(wěn)壓電源提供放大器的直流偏置 電壓，由高帶寬的運(yùn)算放大器與模擬開(kāi)關(guān)組成放大模塊，若單極放大器增益不能滿足要求 ,可以通過(guò)級(jí)聯(lián)的方式提高放大器的增益。為了避免零點(diǎn)漂移，再加上調(diào)零電路，經(jīng)過(guò)由二極管與電容組成的檢波電路進(jìn)行峰值檢波，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換以后采集到單片機(jī)，單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示增益，單片機(jī)通過(guò)按鍵的選擇控制模擬開(kāi)關(guān)的選通來(lái)控制增益的選擇以達(dá)到程控的功能。系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖 所示。 浙江大學(xué)城市學(xué)院 畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 6 圖 系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu) 課題研究的重點(diǎn)難點(diǎn) 研究的重點(diǎn)是在帶寬如此大的情況下要保證增 益的穩(wěn)定性，放大器和外圍器件選擇的是否符合條件時(shí)十分重要的。在器件選擇正確的情況下，放大器的調(diào)零與增益的調(diào)試也是一個(gè)十分花費(fèi)精力的工作，需要耐心且仔細(xì)的完成。既然是程控放大器，程序的編寫(xiě)也十分重要，能否準(zhǔn)確有迅速的控制放大電路正常的工作對(duì)編程的技巧是一個(gè)考驗(yàn)。整體電路的調(diào)試對(duì)模擬電路的知識(shí)也有著很高的要求。放大器各級(jí)間的耦合，后一級(jí)對(duì)前一級(jí)輸出阻抗的影響都是十分難解決的問(wèn)題。眾所周知，模擬電路是十分容易受到外界因素影響的，即使方案是正確可行的，也會(huì)因?yàn)榄h(huán)境問(wèn)題，制作水平，調(diào)試技巧等外界因素的作用影響測(cè)試的結(jié) 果，這對(duì)于我這樣實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)缺乏的學(xué)生來(lái)說(shuō)是最大的挑戰(zhàn)。 課題的選題背景 隨著信息技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，寬帶通信已成為現(xiàn)代通信技術(shù)的主流。根據(jù)使用要求由程序控制改變放大器的增益，具有控制方便，線性度高，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。 信號(hào)輸入 第三級(jí)放大 第一級(jí)放大 第二級(jí)放大 調(diào)零電路 檢波 單片機(jī) 控制 顯示 按鍵控制 信號(hào)輸出 浙江大學(xué)城市學(xué)院 畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 7 課題的研究意義 寬帶放大器以其低噪聲、低非線性失真以及良好的匹配性等特點(diǎn)，成為現(xiàn)代無(wú)線接入技術(shù)和遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中的一種極為重要的放大器類型，主要用于對(duì)視頻信號(hào)、脈沖信號(hào)或射頻信號(hào)的放大。寬帶直流放大器（帶寬從直流到幾千赫或更高）主要應(yīng)用于用于測(cè)量?jī)x器。然而在一些特殊的應(yīng)用 中，我們常希望輸入信號(hào)的幅值接近 A／ D 的輸入電壓量程的上限。工程上常采取改變放大器增益的方法對(duì)幅值大小不一的信號(hào)進(jìn)行放大。在計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)不同幅度信號(hào)的放大，往往不希望、甚至也不可能利用手動(dòng)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)增益變換。利用程控放大器可以很好地解決上述問(wèn)題。程控放大器是根據(jù)使用要求由程序控制改變?cè)鲆娴姆糯笃鳎哂锌刂品奖悖€性度高，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。程控放大器是一種放大倍數(shù)由程序控制的放大器，也稱為可編程放大器。就每個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集而言，還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制增益或量程自動(dòng)切換，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，程 控放大器有著廣大的應(yīng)用前景，并將朝著集成化、智能化、多功能化方向發(fā)展。 可見(jiàn)程控寬帶放大器在實(shí)際的生產(chǎn)工作中已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用，這是放大器的發(fā)展趨勢(shì)，作為一個(gè)信息電子專業(yè)的學(xué)生，了解并掌握它的工作原理，并在實(shí)踐中檢驗(yàn)自己的知識(shí)水平，是一件十分有意義的事。 浙江大學(xué)城市學(xué)院 畢業(yè)論文 第 2 章 理論分析與參數(shù)計(jì)算 8 第 2 章 理論分析與參數(shù)計(jì)算 增益控制的分析 增益控制電路是由寬帶低噪聲放大器 OPA642 與 8 路模擬開(kāi)關(guān) ADG508 這兩個(gè)主要原件構(gòu)成的。 OPA642 的介紹 為了實(shí)現(xiàn)直流以 1MHz 以內(nèi)的交流信號(hào)的可變?cè)鲆孑敵觯鲆娣秶鸀?040dB。放 大部分采用 OPA642 作為放大器， OPA642 是寬帶，低失真，低增益運(yùn)算放大器，擁有 400MHZ 的帶寬，開(kāi)環(huán)增益有 95dB，在以同相放大器形式工作時(shí)有較高的帶寬 [15]。 OPA642 特點(diǎn)： (1)低失真：在 5MHz 為 95dBc； (2)增益為 +1 時(shí)帶寬為 400 MHZ； (3)使用 SOT23 5 封裝； (4)高開(kāi)環(huán)增益： 95dB； (5)高共模抑制： 90dB； (6)低噪聲： /Hz； (7)高輸出電流：177。 60mA； (8)極低差分增益 /相位誤差： ％ / 176。； QPA642 的應(yīng)用： (1)ADC / DAC 的緩沖放大器； (2)低失真中頻放大器； (3)高分辨率成像元件； (4)醫(yī)學(xué)影像元件； 浙江大學(xué)城市學(xué)院 畢業(yè)論文 第 2 章 理論分析與參數(shù)計(jì)算 9 (5)低噪聲前置放大器； (6)高 CMR 差分放大器； (7)測(cè)試儀器； (8)專業(yè)音響。 OPA642 提供了一系列以前在單片運(yùn)算放大器無(wú)法實(shí)的現(xiàn)動(dòng)態(tài)速度和水平。使用單位增益穩(wěn)定電壓增益級(jí)的兩個(gè)內(nèi)部反饋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在寬頻率范圍極低的諧波失真。“經(jīng)典”的差分輸入提供了偏置電流，非常低噪音，反相電流精度如同其他 OP 放大器，比如寬帶運(yùn)算放大器，電流反饋運(yùn)算放大器。快速建立時(shí)間，優(yōu)良的差動(dòng) 增益 /相位性能，低電壓噪聲和高輸出電流驅(qū)動(dòng)，使 OPA642 成為在高動(dòng)態(tài)范圍的理想選擇。 絕對(duì)最大額定值： (1)供電：177。 ； (2)內(nèi)部功耗：見(jiàn)熱分析； (3)差分輸入電壓：177。 ； (4)輸入電壓的范圍：177。 VS； (5)存儲(chǔ)溫度范圍： 40176。 C 至 +125176。 C； (6)引腳溫度（焊接， 10 秒）： +300176。 C。 OPA642 的封裝如圖 。 浙江大學(xué)城市學(xué)院 畢業(yè)論文 第 2 章 理論分析與參數(shù)計(jì)算 10 圖 OPA642 的封裝 OPA642 的接法 在圖 ，由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗很高 ,尤其對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)輸入型運(yùn)算放大器 , 輸入阻抗可達(dá) 1012Ω ,因而開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻對(duì)放大器增益的影響可以忽略不計(jì)。在圖 中 ,利用運(yùn)算放大器的高開(kāi)環(huán)增益特性和負(fù)反饋 ,開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻對(duì)增益的影響基本上得以消除。該類電路的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻對(duì)電路的增益影響小 ,因此特別適用于采用模擬電子開(kāi)關(guān)控制的場(chǎng)合。電路的不足之處是放大器增益不能小于 1 ,因此不能對(duì) 輸入信號(hào)進(jìn)行衰減 ,解決辦法是在前級(jí)加入無(wú)源衰減網(wǎng)絡(luò) [16]。由于圖 的方法的增益控制范圍比較大，所以采用圖 的聯(lián)接方式。 浙江大學(xué)城市學(xué)院 畢業(yè)論文 第 2 章 理論分析與參數(shù)計(jì)算 11 圖 同相型可變?cè)鲆娣糯笃鞯碾娐?(a) 圖 同相型可變?cè)鲆娣糯笃鞯碾娐?(b) 采用單級(jí)放大 20dB,三級(jí)級(jí)聯(lián)，增益最大可達(dá) 60dB，大于題目所要求的 40 dB。 OPA642 作為寬帶低噪聲放大器時(shí)，外圍電路如圖 所示： 浙江大學(xué)城市學(xué)院 畢業(yè)論文 第 2 章 理論分析與參數(shù)計(jì)算 12 圖 OPA642 的外圍電路 在本設(shè)計(jì)中為了實(shí)現(xiàn)增益可控，負(fù)反饋電路采用多個(gè)可調(diào)電阻由模擬開(kāi)關(guān)選擇控制 [17]，如圖 所示： 浙江大學(xué)城市學(xué)院 畢業(yè)論文 第 2 章 理論分析與參數(shù)計(jì)算 13 圖 OPA642 作為程控寬帶放大器的電路 增益控制的相關(guān)計(jì)算 作為寬帶放 大器是 OPA642 的接法為同相放大器，采用單級(jí)放大 20dB,三級(jí)級(jí)聯(lián)，增益最大可達(dá) 60dB，大于題目所要求的 40dB。參考了 OPA642 同相放大器的電路圖，利用虛短路虛開(kāi)路計(jì)算得增益 ，見(jiàn)公式 。 Av=3)32()(RRRRsRsRf ?? ， () 令 R3=Rs=1K 歐姆， 得公式 。 Av= 211 Rk Rfk?? ， Av(db)=20logAv。 ()