本文摘抄自全国大学生电子设计大赛一等奖作品《宽带直流放大器设计》，作者是电子科技大学的王康、胡航宇、耿东晛三位同学！

摘要

本作品以 AT89S52 单片机为控制核心，设计并制作了 10MHz 带宽的宽带直流放大器，系统通过第一级 OPA2690 双运放跟随并放大 10dB,放大后分档位滤波，再通过单片机程控两级级联的 VCA810 实现-40dB～40dB 的动态增益变化，后级通过集成运放提高 THS3001 的电压摆幅以达到扩压效果，最后通过场效应管功放后接入 50?负载输出。整个系统放大器可放大 1mV 有效值信号,增益可达到 70dB,最大输出电压峰峰值为 42V,在通频带范围内起伏增益1dB 左右，放大器在 Av=60dB 的时候，输出噪声电压的峰-峰值为 200mv，通过单片机控制可以实现电压增益 AV 和放大器的带宽可预置并显示的功能。整个系统工作可靠，稳定，而且成本低，效率高。

(一) 系统总体设计

1.根据题目要求,本系统总共分为四大部分：

• 第一部分输入信号放大模块通过 OPA2690 双运放实现对有效值 10mV 输入小信号放大 10dB 的功能，使输入信号有效值达到 30.16mV。

• 第二部分为分档滤波模块，题目要求放大器带宽可预置，至少得设计 5MHz，10MHz 两个低通滤波器,我们分别设计了 5MHz，10MHz 的 LC 巴特沃兹低通滤波器，通过单片机控制继电器可以切换档位以达到分档滤波功能。

• 第三部分为-40dB～40dB 的程控放大，一级 VCA810 理想情况下放大可达-40dB～40dB，但考虑到外界环境的影响和系统的稳定性，我们设计两级VCA810 级联的形式来得到-40dB～40dB 的放大，而且在其频率带宽范围内，可以保证其幅频曲线稳定，为后级的功率放大电路稳定提供了保证。

• 第四部分是功率放大器，我们采用运放 THS3001，其压摆率高，且能支持± 15V 的供电,最具特色的是我们采用浮电源技术将输出的电压扩压,再利用场管实现其输出电流扩流,就能实现功率到达 2W。通过单片机 AT89S52控制既实现了放大器带宽和电压增益 AV 可预置并显示又降低了整个系统的成本。本系统效率高，成本低，工作可靠稳定。

2.系统总体框图

3. 理论分析及计算

3.1 集成运放扩压电路原理

集成运放扩压电路如图二所示。当输入信号 Vi 为 0 时,输出信号 Vo 也为 0。两个二极管的 VB1=+15V,VB2=-15V，集成运放的正负电源端分别为+14.3V 和-14.3V,它之间压差为28.6V,加入信号 Vi 后,两二极管基极电位分别为:

与 Vi 为 0 时的静态情况几乎一样,但经扩压后,Vo 输出可以达到± 24V。通过浮电源技术我们可以实现输出电压的扩压。

3.2 带宽增益积(GBP)

带宽增益积是衡量放大器性能的一个参数，这个参数表示的是增益和带宽的乘积，即 XXXVIGDP＝AV×BW，根据整个系统，最大电压增益为+60dB，也就是+1000V/V，带宽为 10MHz，根据上式可得整个系统的最大带宽增益积为 10GHz。

3.3 通频带内增益起伏控制 随着频率的增高，放大器的增益会随之下降，可以通过补偿电容来添加极点，进而实现相位补偿和增益补偿，这样就可以将放大器的增益在通频带内的起伏控制在最小范围内。

3.4 抑制直流零点漂流零点漂移现象是输入电压为零但输出电压不为零的现象，其产生的主要原因是温度漂移使得半导体元器件的参数变化,致使输出电压不为零。抑制零点漂移的方法有:

( 1 )利用超级伺服电路将零点漂移强制拉回零,但此方法不能放大直流信号.

（2）采用温度补偿的方法，利用热敏元件来抵消放大管的变化,但效果不明显。

（3）采用加入直流偏置调节零偏,此方法可以放大交流.我们则是采用方法（3）。

3.5 放大器稳定性 放大器的稳定性是指放大器在其带宽范围内幅频曲线的稳定性。 提高放大器的稳定性,可以采用相位提前补偿的方法,增加其零点，抵消极点来实现。

4. 硬件电路设计以及方案比较

1. 前级输入信号放大模块

按题目要求对 10mV 有效值以下的小信号经行放大，要求对信号的干扰要小，所以必须采用一定方法减小对采集信号的干扰。采用以下几种方法：

1.前级采用低噪声高共模抑制比运放 OPA2690，最小可放大 1mV 有效值信号。

2.可采取对前级加屏蔽盒，减少外界环境电磁波干扰。

3.采用光电耦合器将送给 DA0832 以及继电器的数字信号与模拟信号彻底隔离，减小数字电路噪声对模拟放大的干扰,电路如图三(b)。

2.程控放大模块

由于题目要求放大范围在 0dB～60dB 可调放大，必须采用程控增益放大的方法，并且动态变化范围有 60dB，而题目又要求输出幅度达到 10V 有效值，并驱动 50 欧姆负载，使得最后一级放大倍数固定，因此必须对前级放大的信号经行一定的衰减才能够达到 0dB 输出。 对于程控放大有以下几种方案：

方案一：用两级 AD603 实现-40dB～40dB 的程控放大。此方案虽然简单，但由于放大频率范围从直流到 15MHz，使得放大器输入失调电压要小，而 AD603 输入失调电压可达 30mv，并且随放大倍数不同而不同，再经过后级放大直流漂移显得严重。

方案二：采用高速低零偏的放大器，加 D/A 转换电阻网络构成 AD603 程控放大原理。此方法可以有效解决失调电压问题，但电路实现对放大器及 D/A 转换器要求均较高。

方案三：用两级 VCA810 级联实现-40dB～40dB 的程控放大。VCA810 具有低失调电压，XXXVII一级放大倍数最大范围可达-40dB～40dB，并且外围电路简单。但由于单级放大倍数过大容易引起自激，故两级级联放大。

方案比较：方案一虽然简单，但不适应直接耦合方式的放大器电路。方案二虽然效果较好，但实现有一定难度。方案三虽然需要两级级联，但放大效果好，电路简单，并且可提升空间大，如图四所示。

3.功率放大模块

方案一：用 BUF634 来实现功率放大。

方案二：利用集成运放扩压和 MOSFET 实现扩流来实现放大。

方案比较: 方案一中,虽然 BUF634 外围电路简单,容易实现,但 BUF634 的最大输出功率为1.8W,达不到题目发挥部分 2W 的要求；方案二中, 该方案虽然实现较为麻烦,但是成本低廉,效果较好，故采用方案二，如图五所示。图五中，2N2219 与 2N2905 为集成运放扩压晶体管；电容 C1-C4 为运放相位补偿电容,增加运放的稳定性；电容 C7-C14 的作用是提升功率输出级高频响应特性,弥补场效应管高频响应的不足。

4.自制电源模块

电压经过变压器后输出为有效值为 12V 的交流，经过整流桥后分别送入稳压芯片 LM7824和 LM7924 中，通过稳压扩压电路将 5.1V 稳压二极管分别与 LM7824 和 LM7924 相连使得输出有效值稳定为 29.1V,以供给主要模块使用，如图六所示。

5．分档滤波模块为了实现放大器带宽可设置,设计了两路滤波器,使得放大器带宽分别为 5MHz 和 10MHz,通过单片机控制继电器来切换档位以得到不同带宽的幅频曲线。通过滤波软件设计得到模型,再经过仿真后最终确定滤波器参数分别如图七、八所示。

(二) 指标测试方案以及测试结果 指标测试方案以及测试结果

①.测试仪器清单

②. 放大器增益测试

测试方案选择:通过函数发生器产生直流和 10MHz 以内有效值 10mV 的正弦波，通过双踪示波器分别观测系统输入和输出信号的大小。

测试结果

③. 最大输出电压有效值测试：

测试方案选择：在增益为 40dB 时,增大输入信号幅度,观察最大不失真输出信号幅度

测试结果：Vipp=420mVVopp=41.60V

④. 通频带内增益起伏测试

测试方案选择：以 1MHz 为基准,在增益为 60dB 时,输入峰峰值为 20mV 信号,从 DC 到4MHz(9MHz)改变输入信号频率,测出输出信号幅度与放大 60dB 时理论输出幅度之比,得到

测试结果:0～4MHz 内：平均 0.8dB0～9MHz 内：平均 1.4dB

⑤. 放大器噪声电压测试

测试方案选择：在增益为 60dB 时,将输入端与地短接,测出输出信号幅度

测试结果：在 AV＝60dB 时，输出端噪声电压的峰－峰值 VONPP 为 0.2 V。

⑥. 输入电阻与负载电阻阻值测试

测试方案选择:系统设计方案保证了输入阻抗大于 50?，负载电阻用万用表直接测量。

测试结果: 输入阻抗：>50? 负载电阻：50.8?

(三)总结

题目要求输入有效值小于等于 10mv，实际输入的有效值可以达到 1mv，但在我们在现有的仪器条件下，信号幅度输出小时噪声大，造成输出波形噪声较大。放大器的增益最大可达70 dB，但超过 70dB 后放大器容易出现自激振荡，如改善电路加入补偿放大倍数还可提升。放大器最大输出幅度峰峰值达到了 42V，在驱动 50?负载时，通频带带宽超过 10M，带内失真小，但带内衰减较大，主要是由于最后一级功率放大高频特性限制，如果继续改善补偿电路，可将通频带内起伏控制在 0.5dB 内并且继续拓宽带宽。