单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2009年全国大学生电子设计大赛,*,*,宽带直流放大器,2009,年全国大学生电子设计大赛,(C,题,),一、赛题要求,1,基本要求,（,1,）电压增益,A,V40dB,，输入电压有效值,V,i20mV,A,V,可在,0,40dB,范围内手动连续调节2,）最大输出电压正弦波有效值,V,o2V,，输出信号波形无明显失真3,）,3dB,通频带,0,5MHz,；在,0,4MHz,通频带内增益起伏,1dB,4,）放大器的输入电阻,50,，负载电阻（,502,）,5,）设计并制作满足放大器要求所用的直流稳压电源2,发挥部分,（,1,）最大电压增益,A,V60dB,，输入电压有效值,V,i10 mV,2,）在,A,V,60dB,时，输出端噪声电压的峰峰值,V,ONPP0.3V,3,）,3dB,通频带,0,10MHz,；在,0,9MHz,通频带内增益起伏,1dB,4,）最大输出电压正弦波有效值,V,o10V,，输出信号波形无明显失真5,）进一步降低输入电压提高放大器的电压增益6,）电压增益,A,V,可预置并显示，预置范围为,0,60dB,，步距为,5dB,（也可以连续调节）；放大器的带宽可预置并显示（至少,5MHz,、,10MHz,两点）。
7,）降低放大器的制作成本，提高电源效率8,）其他（例如改善放大器性能的其它措施等）2009年全国大学生电子设计大赛,二、评分标准,2009年全国大学生电子设计大赛,三、试题分析及准备知识,1,、,直流放大器,：在自动控制及自动测量系统中，需要把一些非电量（如温度、转速、压力）等参数通过传感器转变成电信号，这些微弱的电信号经放大后就可以推动测量、记录机构或控制执行机构，从而实现自动控制或自动测量这些电信号大都是变化极为缓慢、且极性固定不变的非周期性信号（直流信号），它需要直流放大器放大宽带直流放大器通频带必须从,0,开始2,、,电压增益,：,AV,20LOG,（,Vo/Vi,）,电压增益,AV40dB,，不是指输出电压幅值除以输入电压幅值，而是指,20LOG,（输出电压幅值,/,输入电压幅值），也就是输出输入电压的商的,10,为底的对数的,20,倍40db,表示输出电压与输入电压之比为,100,倍2009年全国大学生电子设计大赛,三、试题分析及准备知识,3,、,通频带,：用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力下限截止频率,fL,：在信号频率下降到一定程度时，放大倍数的数值明显下降，使放大倍数的数值等于,0.707,倍的频率称为下 限截止频率,fL,。
上限截止频率,fH,：信号频率上升到一定程度时，放大倍数的数值也将下降，使放大倍数的数值等于,0.707,倍的频率称为上限截止频率,fH,通频带,fbw,：,fbw,fH,fL,或者定义为：在信号传输系统中,系统输出信号从最大值衰减,3dB,的信号频率为截止频率,上下截止频率之间的频带称为通频带,用,BW,表示通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强2009年全国大学生电子设计大赛,三、试题分析及准备知识,4,、,零点漂移,：由于直流放大器直接耦合，其中有任何一点静态电位的变动，都有会经耦合放大后在输出中呈现出来，即使没有输入信号，由于温度的变化和电源电压不稳定的影响，输出端也会出现电压的缓慢变动，这种现象叫做零点漂移直流放大器中，前级的零点漂移会被逐级放大，以致在最后一级的输出端产生很大的漂移电压，而这种漂移信号与直流放大器所放大的缓慢变化的信号又十分相似，所以当漂移严重时，就无法分辨清输出电压的变化性质，它究竟是由于输入信号的变化引起的，还是因零点漂移而造成的5,、,线性相位,：一个单一频率的正弦信号通过一个系统，假设它通过这个系统的时间需要,t,，则这个信号的输出相位落后原来信号,wt,的相位。
可以看出，一个正弦信号通过一个系统落后的相位等于它的,w*t,；反过来说，如果一个频率为,w,的正弦信号通过系统后，它的相位落后,delta,，则该信号被延迟了,delta/w,的时间在实际系统中，一个输入信号可以分解为多个正弦信号的叠加，为了使得输出信号不会产生相位失真，必须要求它所包含的这些正弦信号通过系统的时间是一样的因此每一个正弦信号的相位分别落后，,w1*t,，,w2*t,，,w3*t,落后的相位正比于频率,w,，如果超前，超前相位的大小也是正比于频率,w,2009年全国大学生电子设计大赛,四、设计部分,1,、,系统框图,输入信号通过前置放大器实现了输入电阻,50,的要求，经放大倍数最大为,60dB,、通频带为,10MHz,的中间级放大器，将信号放大至,1000,倍，再经过通频带选择网络实现放大器通频带预置，最后经末级放大器达到了输出功率的指标要求整个过程中，控制器控制电压增益和通频带带宽的预置输入与显示图,1,宽带直流放大器系统框图,前置放大器,中间级放大,通频带选择网络,末级放大器,显示,控制器,自制稳压电源,预置输入,信号输入,Vin,信号输出,Vout,220V,50hz,2009年全国大学生电子设计大赛,2,、硬件电路设计,（,1,）前级放大电路,前置放大电路使用电压跟随器实现，如图,2,所示。
考虑到本系统的通频带为,010MHz,，为避免引入噪声，其输入阻抗必须限定在,50,100,之间，若电压跟随器的阻抗为,Rj,，图,2,电路的输入阻抗为实际电路取,Rk,=100,则,50,此前置放大电路还具有缓冲、隔离的功能，其电压增益接近于,1,，运算放大器选用,OPA642,，此放大器的增益带宽积为,400MHz,图,2,2009年全国大学生电子设计大赛,补充：电压跟随器,电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近,1,电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲起到承上启下的作用应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证电压跟随作用：由于它的高输入电阻、低输出电阻，所以电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用，完成阻抗匹配的功能。
2009年全国大学生电子设计大赛,本级放大器由固定增益模块和增益控制模块组成，增益达,42dB,，带宽为,12.5 MHz,，实现增益从,22dB,到,42dB,可控，并能实现增益为,5dB,步进 可调图,4,中间级放大原理图,（,2,）中间级放大电路,2009年全国大学生电子设计大赛,（,2,）中间级放大电路,由,OPA620,的幅频和相频特性（如图,3,所示）得，当单级闭环放大器的增益为,20dB,时，线性相位为零的最大频率约为,3MHz,10MHz,，由此得出当单级闭环增益,16dB,时，通频带为,12.5MHz,，满足通频带带宽的设计要求图,3 OPA620,的幅频和相频特性,增益带宽积模块,OPA620,集成运放的开环增益带宽积为,200MHz,，为满足系统最大通频带为,10MHz,的要求，由,OPA620,构成的单级闭环放大器的最大增益不能大于,若同时获得,60dB,电压增益，至少需要四级放大第一级放大器，取,R1=100,，,R2=100,，由公式,dB,，得,R3=530,，,Av1=6.3,倍；同理可得第二级放大器：,R6=630,，,Av2=6.3,倍2009年全国大学生电子设计大赛,增益控制模块,在两级,6.3,倍（,16dB,）单闭环放大器级联后，再级联一级可变增益放大器（,AD603,），以实现对,电压增益预置和步进,的控制，如图,5,所示。
AD603,增益与控制电压的关系为,AG,（,dB,）,=40Ug+10,，输入控制电压,Ug,由,AD603,的,1,脚输入，控制电压范围为,-0.5+0.5,单片机可以通过,D/A,（将数字量转换为对应的模拟电压量,Ug,）来控制,AD603,的放大倍数，中放的最大增益,=AGdB+16dB2,设计时,Ug,取值范围为,-0.50,，从而实现增益从,22dB,到,42dB,可控，并能实现增益为,5dB,步进图,5,增益控制模块原理图,2009年全国大学生电子设计大赛,补充：,AD603,当脚,5,和脚,7,短接时，,AD603,的增益为,40Vg+10,，这时的增益范围在,-10,30dB,当脚,5,和脚,7,断开时，其增益为,40Vg+30,，这时的增益范围为,10,50dB,如果在,5,脚和,7,脚接上电阻，其增益范围将处于上述两者之间AD603,的增益控制接口的输入阻抗很高，在多通道或级联应用中，一个控制电压可以驱动多个运放；同时，其增益控制接口还具有差分输入能力，设计时可根据信号电平和极性选择合适的控制方案2009年全国大学生电子设计大赛,（,3,）末级放大电路,当系统负载电阻为（,502,）,时，最大输出电压,V,o10V,，则由公式,，可得，系统输出功率的最大值为 。
经前置放大和中放电路放大后，不具备驱动负载的能力，需经末级功率放大电路放大后才能达到系统对输出功率的要求参考音频放大器中驱动级电路，考虑到负载电阻为（,502,）,，输出有效值大于,10V,，末级采用两级三极管直接耦合功率放大器，如图,6,所示末级放大电路的电压增益在第一级，第二级采用了一对孪生功放管,D669A,和,B649A,（特征频率,fT,=140MHz,，,Ic,=1.5A,）进行功率放大整个电路设计有频率补偿，可对,0,到,10MHz,的信号进行线性放大，放大倍数,在实际制作过程中通过调节可变电阻,R10,调整反馈深度获得,20dB,增益，使整个放大器的总增益为,62dB,，在,10MHz,以下的通频带内增益非常稳定，可有效抑制通频带内增益起伏的变化2009年全国大学生电子设计大赛,图,6,末级放大原理图,2009年全国大学生电子设计大赛,（,4,）各级增益控制,通过放大电路，系统总增益可调范围是,42 dB62 dB,，不能满足题目的要求利用两组衰减网络分别将系统增益衰减,20 dB,和,42 dB,，如图,7,所示，可实现系统增益分别在,020 dB,、,22 42 dB,和,4262 dB,间变化，再结合增益控制模块实现了系统增益手动连续可调、,5 dB,步进和预置。
实验测试得，经,42 dB,衰减网络后，系统频率特性仍较好而经,20 dB,衰减网络后，输入信号频率在,1MHZ,以上时，增益有所下降，为稳定增益，在衰减电阻上并联,15pF,的电容进行频率补偿采用三组继电器对增益范围进行切换，由单片机的,I/O,口,P2.0,、,P2.1,和,P2.2,控制继电器的动作图,7,增益衰减网络,2009年全国大学生电子设计大赛,（,5,）通频带选择网络,通过对继电器,L1,和,L2,触点的控制实现了系统通频带,05MHz,和,010MHz,两个范围预置，如图,8,所示系统默认选择,10MHz,通频带通过键盘选择通频带，当单片机的,P0.5,和,P0.6,口分别向三极管,T1,和,T2,的基极送高电平时，继电器的触点动作，使输入信号,V2,经,5MHz,的低通滤波器输出，即实现了预置,05MHz,的通频带,图,8,通频带选择网络,2009年全国大学生电子设计大赛,（,6,）电源模块,电源电路原理图如图,9,所示，三端稳压芯片,7805,、,7905,、,LM317,和,LM337,起。