單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,*,*,寬帶直流放大器,2009,年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,(C,題,),一、賽題要求,1,基本要求,（,1,）電壓增益,A,V40dB,，輸入電壓有效值,V,i20mV,。,A,V,可在,0,40dB,范圍內(nèi)手動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)。,（,2,）最大輸出電壓正弦波有效值,V,o2V,，輸出信號(hào)波形無(wú)明顯失真。,（,3,）,3dB,通頻帶,0,5MHz,；在,0,4MHz,通頻帶內(nèi)增益起伏,1dB,。,（,4,）放大器的輸入電阻,50,，負(fù)載電阻（,502,）,。,（,5,）設(shè)計(jì)并制作滿足放大器要求所用的直流穩(wěn)壓電源。,2,發(fā)揮部分,（,1,）最大電壓增益,A,V60dB,，輸入電壓有效值,V,i10 mV,。,（,2,）在,A,V,60dB,時(shí)，輸出端噪聲電壓的峰峰值,V,ONPP0.3V,。,（,3,）,3dB,通頻帶,0,10MHz,；在,0,9MHz,通頻帶內(nèi)增益起伏,1dB,。,（,4,）最大輸出電壓正弦波有效值,V,o10V,，輸出信號(hào)波形無(wú)明顯失真。,（,5,）進(jìn)一步降低輸入電壓提高放大器的電壓增益。,（,6,）電壓增益,A,V,可預(yù)置并顯示，預(yù)置范圍為,0,60dB,，步距為,5dB,（也可以連續(xù)調(diào)節(jié)）；放大器的帶寬可預(yù)置并顯示（至少,5MHz,、,10MHz,兩點(diǎn)）。,（,7,）降低放大器的制作成本，提高電源效率。,（,8,）其他（例如改善放大器性能的其它措施等）。,2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,二、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn),2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,三、試題分析及準(zhǔn)備知識(shí),1,、,直流放大器,：在自動(dòng)控制及自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中，需要把一些非電量（如溫度、轉(zhuǎn)速、壓力）等參數(shù)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，這些微弱的電信號(hào)經(jīng)放大后就可以推動(dòng)測(cè)量、記錄機(jī)構(gòu)或控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制或自動(dòng)測(cè)量。這些電信號(hào)大都是變化極為緩慢、且極性固定不變的非周期性信號(hào)（直流信號(hào)），它需要直流放大器放大。寬帶直流放大器通頻帶必須從,0,開始。,2,、,電壓增益,：,AV,20LOG,（,Vo/Vi,）,電壓增益,AV40dB,，不是指輸出電壓幅值除以輸入電壓幅值，而是指,20LOG,（輸出電壓幅值,/,輸入電壓幅值），也就是輸出輸入電壓的商的,10,為底的對(duì)數(shù)的,20,倍。,40db,表示輸出電壓與輸入電壓之比為,100,倍。,2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,三、試題分析及準(zhǔn)備知識(shí),3,、,通頻帶,：用于衡量放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的放大能力。,下限截止頻率,fL,：在信號(hào)頻率下降到一定程度時(shí)，放大倍數(shù)的數(shù)值明顯下降，使放大倍數(shù)的數(shù)值等于,0.707,倍的頻率稱為下 限截止頻率,fL,。上限截止頻率,fH,：信號(hào)頻率上升到一定程度時(shí)，放大倍數(shù)的數(shù)值也將下降，使放大倍數(shù)的數(shù)值等于,0.707,倍的頻率稱為上限截止頻率,fH,。通頻帶,fbw,：,fbw,fH,fL,或者定義為：在信號(hào)傳輸系統(tǒng)中,系統(tǒng)輸出信號(hào)從最大值衰減,3dB,的信號(hào)頻率為截止頻率,上下截止頻率之間的頻帶稱為通頻帶,用,BW,表示通頻帶越寬，表明放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的適應(yīng)能力越強(qiáng)。,2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,三、試題分析及準(zhǔn)備知識(shí),4,、,零點(diǎn)漂移,：由于直流放大器直接耦合，其中有任何一點(diǎn)靜態(tài)電位的變動(dòng)，都有會(huì)經(jīng)耦合放大后在輸出中呈現(xiàn)出來(lái)，即使沒有輸入信號(hào)，由于溫度的變化和電源電壓不穩(wěn)定的影響，輸出端也會(huì)出現(xiàn)電壓的緩慢變動(dòng)，這種現(xiàn)象叫做零點(diǎn)漂移。直流放大器中，前級(jí)的零點(diǎn)漂移會(huì)被逐級(jí)放大，以致在最后一級(jí)的輸出端產(chǎn)生很大的漂移電壓，而這種漂移信號(hào)與直流放大器所放大的緩慢變化的信號(hào)又十分相似，所以當(dāng)漂移嚴(yán)重時(shí)，就無(wú)法分辨清輸出電壓的變化性質(zhì)，它究竟是由于輸入信號(hào)的變化引起的，還是因零點(diǎn)漂移而造成的。,5,、,線性相位,：一個(gè)單一頻率的正弦信號(hào)通過(guò)一個(gè)系統(tǒng)，假設(shè)它通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間需要,t,，則這個(gè)信號(hào)的輸出相位落后原來(lái)信號(hào),wt,的相位。可以看出，一個(gè)正弦信號(hào)通過(guò)一個(gè)系統(tǒng)落后的相位等于它的,w*t,；反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果一個(gè)頻率為,w,的正弦信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)后，它的相位落后,delta,，則該信號(hào)被延遲了,delta/w,的時(shí)間。在實(shí)際系統(tǒng)中，一個(gè)輸入信號(hào)可以分解為多個(gè)正弦信號(hào)的疊加，為了使得輸出信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生相位失真，必須要求它所包含的這些正弦信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)的時(shí)間是一樣的。因此每一個(gè)正弦信號(hào)的相位分別落后，,w1*t,，,w2*t,，,w3*t,。落后的相位正比于頻率,w,，如果超前，超前相位的大小也是正比于頻率,w,。,2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,四、設(shè)計(jì)部分,1,、,系統(tǒng)框圖,輸入信號(hào)通過(guò)前置放大器實(shí)現(xiàn)了輸入電阻,50,的要求，經(jīng)放大倍數(shù)最大為,60dB,、通頻帶為,10MHz,的中間級(jí)放大器，將信號(hào)放大至,1000,倍，再經(jīng)過(guò)通頻帶選擇網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)放大器通頻帶預(yù)置，最后經(jīng)末級(jí)放大器達(dá)到了輸出功率的指標(biāo)要求。整個(gè)過(guò)程中，控制器控制電壓增益和通頻帶帶寬的預(yù)置輸入與顯示。,圖,1,寬帶直流放大器系統(tǒng)框圖,前置放大器,中間級(jí)放大,通頻帶選擇網(wǎng)絡(luò),末級(jí)放大器,顯示,控制器,自制穩(wěn)壓電源,預(yù)置輸入,信號(hào)輸入,Vin,信號(hào)輸出,Vout,220V,50hz,2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,2,、硬件電路設(shè)計(jì),（,1,）前級(jí)放大電路,前置放大電路使用電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)，如圖,2,所示。,考慮到本系統(tǒng)的通頻帶為,010MHz,，為避免引入噪聲，其輸入阻抗必須限定在,50,100,之間，若電壓跟隨器的阻抗為,Rj,，圖,2,電路的輸入阻抗為。,實(shí)際電路取,Rk,=100,則,50,。此前置放大電路還具有緩沖、隔離的功能，其電壓增益接近于,1,，運(yùn)算放大器選用,OPA642,，此放大器的增益帶寬積為,400MHz,。,圖,2,2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,補(bǔ)充：電壓跟隨器,電壓跟隨器，顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說(shuō)，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近,1,。,電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來(lái)說(shuō)，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低。,在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級(jí)及隔離級(jí)。因?yàn)?，電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級(jí)的輸入阻抗比較小，那么信號(hào)就會(huì)有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級(jí)的輸出電阻中。在這個(gè)時(shí)候，就需要電壓跟隨器來(lái)從中進(jìn)行緩沖。起到承上啟下的作用。應(yīng)用電壓跟隨器的另外一個(gè)好處就是，提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應(yīng)用高品質(zhì)的電容提供了前提保證。,電壓跟隨作用：由于它的高輸入電阻、低輸出電阻，所以電壓跟隨器起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用，完成阻抗匹配的功能。,2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,本級(jí)放大器由固定增益模塊和增益控制模塊組成，增益達(dá),42dB,，帶寬為,12.5 MHz,，實(shí)現(xiàn)增益從,22dB,到,42dB,可控，并能實(shí)現(xiàn)增益為,5dB,步進(jìn) 可調(diào)。,圖,4,中間級(jí)放大原理圖,（,2,）中間級(jí)放大電路,2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,（,2,）中間級(jí)放大電路,由,OPA620,的幅頻和相頻特性（如圖,3,所示）得，當(dāng)單級(jí)閉環(huán)放大器的增益為,20dB,時(shí)，線性相位為零的最大頻率約為,3MHz,10MHz,，由此得出當(dāng)單級(jí)閉環(huán)增益,16dB,時(shí)，通頻帶為,12.5MHz,，滿足通頻帶帶寬的設(shè)計(jì)要求。,圖,3 OPA620,的幅頻和相頻特性,增益帶寬積模塊,OPA620,集成運(yùn)放的開環(huán)增益帶寬積為,200MHz,，為滿足系統(tǒng)最大通頻帶為,10MHz,的要求，由,OPA620,構(gòu)成的單級(jí)閉環(huán)放大器的最大增益不能大于,若同時(shí)獲得,60dB,電壓增益，至少需要四級(jí)放大。第一級(jí)放大器，取,R1=100,，,R2=100,，由公式,dB,，得,R3=530,，,Av1=6.3,倍；同理可得第二級(jí)放大器：,R6=630,，,Av2=6.3,倍。,2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,增益控制模塊,在兩級(jí),6.3,倍（,16dB,）單閉環(huán)放大器級(jí)聯(lián)后，再級(jí)聯(lián)一級(jí)可變?cè)鲆娣糯笃鳎?AD603,），以實(shí)現(xiàn)對(duì),電壓增益預(yù)置和步進(jìn),的控制，如圖,5,所示。,AD603,增益與控制電壓的關(guān)系為,AG,（,dB,）,=40Ug+10,，輸入控制電壓,Ug,由,AD603,的,1,腳輸入，控制電壓范圍為,-0.5+0.5,。單片機(jī)可以通過(guò),D/A,（將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的模擬電壓量,Ug,）來(lái)控制,AD603,的放大倍數(shù)，中放的最大增益,=AGdB+16dB2,。設(shè)計(jì)時(shí),Ug,取值范圍為,-0.50,，從而實(shí)現(xiàn)增益從,22dB,到,42dB,可控，并能實(shí)現(xiàn)增益為,5dB,步進(jìn)。,圖,5,增益控制模塊原理圖,2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,補(bǔ)充：,AD603,當(dāng)腳,5,和腳,7,短接時(shí)，,AD603,的增益為,40Vg+10,，這時(shí)的增益范圍在,-10,30dB,。當(dāng)腳,5,和腳,7,斷開時(shí)，其增益為,40Vg+30,，這時(shí)的增益范圍為,10,50dB,。如果在,5,腳和,7,腳接上電阻，其增益范圍將處于上述兩者之間。,AD603,的增益控制接口的輸入阻抗很高，在多通道或級(jí)聯(lián)應(yīng)用中，一個(gè)控制電壓可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)運(yùn)放；同時(shí)，其增益控制接口還具有差分輸入能力，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)信號(hào)電平和極性選擇合適的控制方案。,2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,（,3,）末級(jí)放大電路,當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載電阻為（,502,）,時(shí)，最大輸出電壓,V,o10V,，則由公式,，可得，系統(tǒng)輸出功率的最大值為 。經(jīng)前置放大和中放電路放大后，不具備驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力，需經(jīng)末級(jí)功率放大電路放大后才能達(dá)到系統(tǒng)對(duì)輸出功率的要求。參考音頻放大器中驅(qū)動(dòng)級(jí)電路，考慮到負(fù)載電阻為（,502,）,，輸出有效值大于,10V,，末級(jí)采用兩級(jí)三極管直接耦合功率放大器，如圖,6,所示。末級(jí)放大電路的電壓增益在第一級(jí)，第二級(jí)采用了一對(duì)孿生功放管,D669A,和,B649A,（特征頻率,fT,=140MHz,，,Ic,=1.5A,）進(jìn)行功率放大。整個(gè)電路設(shè)計(jì)有頻率補(bǔ)償，可對(duì),0,到,10MHz,的信號(hào)進(jìn)行線性放大，放大倍數(shù),在實(shí)際制作過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻,R10,調(diào)整反饋深度獲得,20dB,增益，使整個(gè)放大器的總增益為,62dB,，在,10MHz,以下的通頻帶內(nèi)增益非常穩(wěn)定，可有效抑制通頻帶內(nèi)增益起伏的變化。,2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,圖,6,末級(jí)放大原理圖,2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,（,4,）各級(jí)增益控制,通過(guò)放大電路，系統(tǒng)總增益可調(diào)范圍是,42 dB62 dB,，不能滿足題目的要求。利用兩組衰減網(wǎng)絡(luò)分別將系統(tǒng)增益衰減,20 dB,和,42 dB,，如圖,7,所示，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增益分別在,020 dB,、,22 42 dB,和,4262 dB,間變化，再結(jié)合增益控制模塊實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)增益手動(dòng)連續(xù)可調(diào)、,5 dB,步進(jìn)和預(yù)置。實(shí)驗(yàn)測(cè)試得，經(jīng),42 dB,衰減網(wǎng)絡(luò)后，系統(tǒng)頻率特性仍較好。而經(jīng),20 dB,衰減網(wǎng)絡(luò)后，輸入信號(hào)頻率在,1MHZ,以上時(shí)，增益有所下降，為穩(wěn)定增益，在衰減電阻上并聯(lián),15pF,的電容進(jìn)行頻率補(bǔ)償。采用三組繼電器對(duì)增益范圍進(jìn)行切換，由單片機(jī)的,I/O,口,P2.0,、,P2.1,和,P2.2,控制繼電器的動(dòng)作。,圖,7,增益衰減網(wǎng)絡(luò),2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,（,5,）通頻帶選擇網(wǎng)絡(luò),通過(guò)對(duì)繼電器,L1,和,L2,觸點(diǎn)的控制實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)通頻帶,05MHz,和,010MHz,兩個(gè)范圍預(yù)置，如圖,8,所示。系統(tǒng)默認(rèn)選擇,10MHz,通頻帶。通過(guò)鍵盤選擇通頻帶，當(dāng)單片機(jī)的,P0.5,和,P0.6,口分別向三極管,T1,和,T2,的基極送高電平時(shí)，繼電器的觸點(diǎn)動(dòng)作，使輸入信號(hào),V2,經(jīng),5MHz,的低通濾波器輸出，即實(shí)現(xiàn)了預(yù)置,05MHz,的通頻帶,圖,8,通頻帶選擇網(wǎng)絡(luò),2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,（,6,）電源模塊,電源電路原理圖如圖,9,所示，三端穩(wěn)壓芯片,7805,、,7905,、,LM317,和,LM337,起