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1、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
2、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,
3、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,
4、（,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
5、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
6、，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
7、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,
8、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
9、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
10、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，
11、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,
12、，,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
13、,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
14、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,10M
15、Hz,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
16、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
宽带直流放大器——2009年全国大学生电子设计大赛(C题)
