宽带直流放大器（C
题
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）
【本科组】
摘要
本设计利用可变增益宽带放大器AD603来提高增益和扩大AGC 控制范围，通过软件补偿减小增益调节的步进间隔和提高准确度。输入部分采用高速电压反馈型运放OPA642跟随器提高输入阻抗，并且在不影响性能的条件下给输入部分加了保护电路。使用了多种抗干扰
措施
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以减少噪声并抑制高频自激。功率输出部分采用分立元件搭建的甲乙类互补对称电路。整个系统通频带可达20MHz，最小增益0dB，最大增益70dB。增益步进ldB，60dB以下预置增益与实际增益误差小于0.2dB。
关键词
AGC；AD603；OPA642；功率放大；稳压电源
一、
方案
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论证与比较
1. 增益控制部分
方案一
原理框图如图1所示，场效应管工作在可变电阻区，输出信号取自电阻与场效应管与对V’的分压。采用场效应管作AGC控制可以达到很高的频率和很低的噪声，但温度、电源等的漂移将会引起分压比的变化，用这种方案很难实现增益的精确控制和长时间稳定。
方案二
采用可编程放大器的思想，将输入的交流信号作为高速D/A的基准电压，这时的D/A作为一个程控衰减器。理论上讲，只要D/A的速度够快、精度够高就可以实现很宽范围的精密增益调节。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。
方案三
使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA，用控制电压和增益（dB）成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制（如图2）。用电压控制增益，便于单片机控制，同时可以减少噪声和干扰。
综上所述，选用方案三，采用集成可变增益放大器AD603作增益控制。AD603是一款低噪声、精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高，最大增益误差为0.5dB，满足题目要求的精度，其增益（dB）与控制电压（V）成线性关系，因此可以很方便地使用D/A输出电压控制放大器的增益。
2.功率输出部分
此部分采用分立元件对管TIP41与TIP42搭建的甲乙类互补对称电路。
3.自动增益控制（AGC）
利用单片机根据输出信号幅度调节增益。输出信号检波后经过简单2级RC滤波后由单片机采样，截止频率为100Hz。由于放大器通频带低端在1kHz，当工
作频率为1kHz时，为保证在增益变化时输出波形失真较小，将AGC响应时间设
定为10ms，用单片机定时器0来产生10ms中断进行输出有效值采样，增益控制电压也经过滤波后加在可变增益放大器上。AGC 控制范围理论上可达0～80dB，实际上由于输入端加了保护电路，在不同输出电压时AGC范围不一样，输出在4.5～5.5V时AGC范围约为70dB，而当输出为2～2.5V时AGC范围可达80dB。
二、理论分析与参数计算
1．电压控制增益的原理
AD603的基本增益为：Gain (dB) = 40VG + 10，其中，VG是差分输入电压,单位是V，Gain是AD603的基本增益,单位是dB。
从此式可以看出，以dB作单位的对数增益和电压之间是线性的关系。由此可以得出，只要单片机进行简单的线性计算就可以控制对数增益，增益步进可以很准确地实现。但若要用放大倍数来
表
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示增益的话，则需将放大倍数经过复杂的对数运算转化为以dB为单位后再去控制AD603的增益，这样在计算过程中就引入了较大的运算误差。
2. AGC 介绍
AGC 是自动增益控制电路的简称，常用在收音机、电视机、录像机的信号接收和电平处理电路中。它的作用是当信号较强时，使其增益自动降低；当信号较弱时，又使其增益自动增高，从而保证输出信号基本稳定。
三、系统各模块电路的设计
1.输入缓冲和增益控制部分
输入缓冲和增益控制部分为输入缓冲和增益控制电路，由于AD603的输入电阻只有100Ω，要满足输入电阻大于2．4kΩ的要求，必须加入输入缓冲部分用以提高输入阻抗；另外前级电路对整个电路的噪声影响非常大，必须尽量减少噪声。故采用高速低噪声电压反馈型运放OPA642作前级跟随，同时在输入端加上二极管过压保护。输入部分先用电阻分压衰减，再由低噪声高速运放OPA642放大，整体上还是一个跟随器，二极管可以保护输入到OPA642的电压峰峰值不超过其极限(2V)。其输入阻抗大于2．4kΩ。OPA642的增益带宽积为400MHz，这里放大3．4倍，100MHz以上的信号被衰减。输入输出端口P1、P2由同轴电缆连接，以防自激。级间耦合采用电解电容并联高频瓷片电容的
方法
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，兼顾高频和
低频信号。增益控制部分装在屏蔽盒中，盒内采用多点接地和就近接地的方法避免自激，部分电容电阻采用贴片封装，使得输入级连线尽可能短。该部分采用AD603典型接法中通频带最宽的一种，通频带为90MHz，增益为-10～+30dB，输入控制电压U的范围为-0．5～+0．5V。图6为AD603接成90MHz带宽的典型方法。增益和控制电压的关系为：AG(dB)=40×U+10，一级的控制范围只有40dB，使用两级串联，增益为AG(dB)=40 ×Ul+40×U2+20，增益范围是-20～+60dB，满足题目要求。
由于两级放大电路幅频响应曲线相同， 所以当两级AD603串联后，带宽会有所下降，串联前各级带宽为90MHz左右，两级放大电路串联后总的3dB带宽对应着单级放大电路1．5dB带宽，根据幅频响应曲线可得出级联后的总带宽为60M。
图3
2.功率放大部分
电路如图4所示。考虑到负载电阻为50Ω，输出有效值要大于2V，所以电压仍需放大，整个功放电路的电压增益在这一级，第二级进行电压合成和电流放
大，选用音频开关三极管TIP41和TIP42，他们的开关速率达到3MHz，最大电流为6A，最大输出功率可达65W，符合题目要求。
图4
3.控制部分
这一部分由51系列单片机、D/A和基准源组成。使用8位串行D/A芯片DA0832。
4.稳压电源部分
电源输出±5V、±18V电压供给整个系统。电路图部分如下所示。
四、系统调试和测试结果
1.测试方法
将各部分电路连接起来，先调整0dB，使输出信号幅度和输入信号幅度相等，然后接上50Ω的负载电阻进行整机测试。
1. 测试结果
电压增益AV≥40dB，输入电压有效值Vi≤20mV。AV可在0～40dB范围内手动连续调节。最大输出电压正弦波有效值Vo≥2V，输出信号波形无明显失真。3dB通频带0～5MHz；在0～4MHz通频带内增益起伏≤1dB。最大电压增益AV≥60dB，输入电压有效值Vi≤10 mV。最大输出电压正弦波有效值Vo≥10V，输出信号波形无明显失真。
参 考 文 献
[1] [美]塞尔吉欧.佛朗哥著，基于运放放大器和模拟集成电路的电路设计，第三版，西安交通大学出版社，2009
[2] 华中科技大学电子技术课程组编，康光华主编. 电子技术基础.模拟部分.第2版.北京: 高等教育出版,2006
[3] 厚建军主编. 数字电子技术基础.第2版.北京:高等教育出版,2007
[4] 张毅刚主编. 单片机原理及应用.北京:高等教育出版,2004
[5] 李洋主编. 现在电子技术与创新.北京:中国电力出版社,2007
[6] 求是科技编著. 单片机典型模块设计实例导航。第2版.北京:人民邮电出版,2008
浙公网安备 33021202002483