【文章內(nèi)容簡介】 幾赫或幾十赫的低頻直到幾兆赫或幾十兆赫的高頻。這類放大器通常以電阻器為放大器的負載，以電容器作級間耦合。為了擴展帶寬，除了使其增益較低以外，通常還需要 采用高頻和低頻補償措施，以使放大器的增益 頻率特性曲線的平坦部分向兩端延展 [10]。可以歸入寬帶放大器的還有用于時分多路通信、示波器、數(shù)字電路等方面的基帶放大器或脈沖放大器（帶寬從幾赫到幾十或幾百兆赫），用于測量儀器的直流放大器（帶寬從直流到幾千赫或更高），以及音響設備中的高保真度音頻放大器（帶寬從幾十赫到幾十千赫）等。用于射頻信號放大的寬帶放大器（大多屬于帶通型），如雷達或通信接收機中的中頻放大器，其中心頻率為幾十兆赫或幾百兆赫，通帶寬度可達中心頻率的百分之幾十 [11]。國內(nèi)的 CMOS 工藝水平也在的不斷提 高，晶體管的特征頻率已近百吉赫茲?，F(xiàn)在常用的寬帶直流放大器帶寬是從直流到幾千赫的水平 [12]。最新型的寬帶放大器的帶寬已經(jīng)遠遠的超越了傳統(tǒng)的產(chǎn)品， TI 新款寬帶電流反饋放大器可提供大于 450MHz 的帶寬 [13]。類似這些浙江大學城市學院畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 3 應用了新技術(shù)的產(chǎn)品層出不窮，推動著科技的進步。 寬帶放大器的參數(shù) 放大器的特性可以由 下列 參數(shù)來描述。 （ 1） 增益 ： 增益是指放大器能在多大程度上增大信號的幅值。該參數(shù)常用分貝（ dB）來度量。 用數(shù)學語言來說，增益等于輸出幅值除以輸入幅值。（對功率放大器而言，用分貝表示的增益可以由此 關(guān)系式計算： G(dB)=10log(Pout/Pin)(Electrical)）。 （ 2） 理想頻率特性 ： 增益為常數(shù)，相移與頻率成正比。 即放大器對不同頻率的信號具有相同的放大量，并且對任何頻率的信號的相移均為零。 （ 3） 輸出動態(tài)范圍 ： 輸出動態(tài)范圍，常用 dB 為單位給出，是指最大與最小有用輸出幅值之間的范圍。因為最低的有用幅值受限于輸出噪聲，所以稱之為放大器的動態(tài)范圍。 （ 4） 帶寬與上升時間 ： 放大器的帶寬（ BW）常定義為低頻與高頻半功率點之間的差值。因而也就是常說的 3dB BW。有時也定義在其它的響應容 差下的帶寬 （ 1dB， 6dB 等等。）。 舉例來說，一個好的音頻放大器的－ 3dB 帶寬將在二十赫茲到兩萬赫茲左右（正常人的聽覺頻率范圍） [14]。 放大器的上升時間是指當階躍信號輸入時，輸出端由其最終輸出幅度值 10%變化到 90%時所化的時間。 對于高斯響應系統(tǒng)（或一個簡單的 RC 振蕩回路），上升時間表達式為公式 。 Tr * BW = , 其中 BW 的單位是 Hz， Tr 的單位是秒 。 () （ 5） 建立時間與失調(diào) ： 是指輸出幅值建立于最終幅值的某個比值（比如 %）以內(nèi)時所花的時間。 （ 6） 回轉(zhuǎn)率 ： 回轉(zhuǎn)率 (slew rate)是指輸出電壓變量的變化率，常定義為伏特 /每秒（或微秒）。 （ 7） 噪聲 ： 是對在放大過程中引入噪聲多少的一個量度。噪聲是電學器件和元件中不受浙江大學城市學院畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 4 歡迎卻無法避免的。噪聲由放大器零輸入時輸出的分貝或輸出電壓峰值來度量。 （ 8） 效率 ： 效率用來量度多少輸入能量是應用于放大器輸出的。甲類（ A 類）放大器效率十分低下，約在 1020%之間，最大不超過 25%?，F(xiàn)代甲乙類（ AB 類）放大器一般效率都在 3555%之間，理論值可達 %。有報道說商用的丁類（ D 類）放大器的效率可高達 97%。放大器的效率限制了總功耗中有用部分所占的比例。注意，效率越高的放大器散熱量越小，通常在幾個瓦特的設計中也無需風扇。 （ 9） 線性度 ： 理想放大器應當是完全線性器件，但是實際的放大器僅在某些實際限制下是線性的。當驅(qū)動放大器的信號增大后，輸出也隨之增大，直到達到某個電壓值，使得放大器的某部分達到飽和從而不能再增大輸出了，稱之為截止失真 (削峰失真 )。有些放大器在設計中通過某種可控途徑來解決這個問題，即以犧牲增益為代價換取較小的失真。其結(jié)果是一種補償效應，即（如果放大器是音頻放大器的話）大大減少聽起來不悅耳的聲音。 對于這些放大器，其增益比小信號時小 1dB 時的輸入功率（或輸出功率）定義為 1dB 補償點。線性度是一個關(guān)鍵的問題，目前有很多技術(shù)來避免非線性帶來的影響，比如前饋、預矯正、后矯正、包跡抑制還原（波包消除重建）、用非線性元件實現(xiàn)線性放大（ LINC）、 CALLUM、 Cartesian 反饋。 浙江大學城市學院 畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 5 課題的要求 設計并制作一個寬帶直流放大器及所用的直流穩(wěn)壓電源，該放大器能實現(xiàn)直流以 1MHz 以內(nèi)的交流信號的可變增益輸出。增益范圍為 040dB。增益調(diào)節(jié)步進為 5 dB。帶寬可設置。 LCD 顯示放大器的的增益輸出量。該放大 器也可以手動增益可調(diào)。該放大器能很好的應用在多種信號變換場合。課題要求：（ 1）電壓增益AV≥ 40dB，輸入電壓有效值 Vi≤ 20mV。 AV 可在 0～ 40dB 范圍內(nèi)手動連續(xù)調(diào)節(jié)?？梢园凑?5dB 步進調(diào)節(jié)。（ 2）最大輸出電壓正弦波有效值 Vo ≥ 1V，輸出信號波形無明顯失真。（ 3） 3dB 通頻帶 0～ 1MHz。（ 4）放大器的輸入電阻≥ 50 歐姆。 課題的 設計思路 要實現(xiàn)程控直流放大，就需要研究并設計以下幾個部分： +5V 與 5V的直流穩(wěn)壓電源，放大模塊，調(diào)零電路，檢波電路，單片機。由直流穩(wěn)壓電源提供放大器的直流偏置 電壓，由高帶寬的運算放大器與模擬開關(guān)組成放大模塊，若單極放大器增益不能滿足要求 ,可以通過級聯(lián)的方式提高放大器的增益。為了避免零點漂移，再加上調(diào)零電路，經(jīng)過由二極管與電容組成的檢波電路進行峰值檢波，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換以后采集到單片機，單片機控制數(shù)碼管顯示增益，單片機通過按鍵的選擇控制模擬開關(guān)的選通來控制增益的選擇以達到程控的功能。系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖 所示。 浙江大學城市學院 畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 6 圖 系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu) 課題研究的重點難點 研究的重點是在帶寬如此大的情況下要保證增 益的穩(wěn)定性，放大器和外圍器件選擇的是否符合條件時十分重要的。在器件選擇正確的情況下，放大器的調(diào)零與增益的調(diào)試也是一個十分花費精力的工作，需要耐心且仔細的完成。既然是程控放大器，程序的編寫也十分重要，能否準確有迅速的控制放大電路正常的工作對編程的技巧是一個考驗。整體電路的調(diào)試對模擬電路的知識也有著很高的要求。放大器各級間的耦合，后一級對前一級輸出阻抗的影響都是十分難解決的問題。眾所周知，模擬電路是十分容易受到外界因素影響的，即使方案是正確可行的，也會因為環(huán)境問題，制作水平，調(diào)試技巧等外界因素的作用影響測試的結(jié) 果，這對于我這樣實際工作經(jīng)驗缺乏的學生來說是最大的挑戰(zhàn)。 課題的選題背景 隨著信息技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，寬帶通信已成為現(xiàn)代通信技術(shù)的主流。根據(jù)使用要求由程序控制改變放大器的增益，具有控制方便，線性度高，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。 信號輸入 第三級放大 第一級放大 第二級放大 調(diào)零電路 檢波 單片機 控制 顯示 按鍵控制 信號輸出 浙江大學城市學院 畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 7 課題的研究意義 寬帶放大器以其低噪聲、低非線性失真以及良好的匹配性等特點，成為現(xiàn)代無線接入技術(shù)和遠程通信系統(tǒng)中的一種極為重要的放大器類型，主要用于對視頻信號、脈沖信號或射頻信號的放大。寬帶直流放大器（帶寬從直流到幾千赫或更高）主要應用于用于測量儀器。然而在一些特殊的應用 中，我們常希望輸入信號的幅值接近 A／ D 的輸入電壓量程的上限。工程上常采取改變放大器增益的方法對幅值大小不一的信號進行放大。在計算機數(shù)控系統(tǒng)中，為實現(xiàn)不同幅度信號的放大，往往不希望、甚至也不可能利用手動方法來實現(xiàn)增益變換。利用程控放大器可以很好地解決上述問題。程控放大器是根據(jù)使用要求由程序控制改變增益的放大器，具有控制方便，線性度高，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。程控放大器是一種放大倍數(shù)由程序控制的放大器，也稱為可編程放大器。就每個通道的數(shù)據(jù)采集而言，還可實現(xiàn)自動控制增益或量程自動切換，隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，程 控放大器有著廣大的應用前景，并將朝著集成化、智能化、多功能化方向發(fā)展。 可見程控寬帶放大器在實際的生產(chǎn)工作中已經(jīng)被廣泛的運用，這是放大器的發(fā)展趨勢，作為一個信息電子專業(yè)的學生，了解并掌握它的工作原理，并在實踐中檢驗自己的知識水平，是一件十分有意義的事。 浙江大學城市學院 畢業(yè)論文 第 2 章 理論分析與參數(shù)計算 8 第 2 章 理論分析與參數(shù)計算 增益控制的分析 增益控制電路是由寬帶低噪聲放大器 OPA642 與 8 路模擬開關(guān) ADG508 這兩個主要原件構(gòu)成的。 OPA642 的介紹 為了實現(xiàn)直流以 1MHz 以內(nèi)的交流信號的可變增益輸出，增益范圍為 040dB。放 大部分采用 OPA642 作為放大器， OPA642 是寬帶，低失真，低增益運算放大器，擁有 400MHZ 的帶寬，開環(huán)增益有 95dB，在以同相放大器形式工作時有較高的帶寬 [15]。 OPA642 特點： (1)低失真：在 5MHz 為 95dBc； (2)增益為 +1 時帶寬為 400 MHZ； (3)使用 SOT23 5 封裝； (4)高開環(huán)增益： 95dB； (5)高共模抑制： 90dB； (6)低噪聲： /Hz； (7)高輸出電流：177。 60mA； (8)極低差分增益 /相位誤差： ％ / 176。； QPA642 的應用： (1)ADC / DAC 的緩沖放大器； (2)低失真中頻放大器； (3)高分辨率成像元件； (4)醫(yī)學影像元件； 浙江大學城市學院 畢業(yè)論文 第 2 章 理論分析與參數(shù)計算 9 (5)低噪聲前置放大器； (6)高 CMR 差分放大器； (7)測試儀器； (8)專業(yè)音響。 OPA642 提供了一系列以前在單片運算放大器無法實的現(xiàn)動態(tài)速度和水平。使用單位增益穩(wěn)定電壓增益級的兩個內(nèi)部反饋結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了在寬頻率范圍極低的諧波失真?！敖?jīng)典”的差分輸入提供了偏置電流，非常低噪音，反相電流精度如同其他 OP 放大器，比如寬帶運算放大器，電流反饋運算放大器?？焖俳r間，優(yōu)良的差動 增益 /相位性能，低電壓噪聲和高輸出電流驅(qū)動，使 OPA642 成為在高動態(tài)范圍的理想選擇。 絕對最大額定值： (1)供電：177。 ； (2)內(nèi)部功耗：見熱分析； (3)差分輸入電壓：177。 ； (4)輸入電壓的范圍：177。 VS； (5)存儲溫度范圍： 40176。 C 至 +125176。 C； (6)引腳溫度（焊接， 10 秒）： +300176。 C。 OPA642 的封裝如圖 。 浙江大學城市學院 畢業(yè)論文 第 2 章 理論分析與參數(shù)計算 10 圖 OPA642 的封裝 OPA642 的接法 在圖 ，由于運算放大器的輸入阻抗很高 ,尤其對于場效應輸入型運算放大器 , 輸入阻抗可達 1012Ω ,因而開關(guān)的導通電阻對放大器增益的影響可以忽略不計。在圖 中 ,利用運算放大器的高開環(huán)增益特性和負反饋 ,開關(guān)的導通電阻對增益的影響基本上得以消除。該類電路的優(yōu)點是開關(guān)導通電阻對電路的增益影響小 ,因此特別適用于采用模擬電子開關(guān)控制的場合。電路的不足之處是放大器增益不能小于 1 ,因此不能對 輸入信號進行衰減 ,解決辦法是在前級加入無源衰減網(wǎng)絡 [16]。由于圖 的方法的增益控制范圍比較大，所以采用圖 的聯(lián)接方式。 浙江大學城市學院 畢業(yè)論文 第 2 章 理論分析與參數(shù)計算 11 圖 同相型可變增益放大器的電路 (a) 圖 同相型可變增益放大器的電路 (b) 采用單級放大 20dB,三級級聯(lián)，增益最大可達 60dB，大于題目所要求的 40 dB。 OPA642 作為寬帶低噪聲放大器時，外圍電路如圖 所示： 浙江大學城市學院 畢業(yè)論文 第 2 章 理論分析與參數(shù)計算 12 圖 OPA642 的外圍電路 在本設計中為了實現(xiàn)增益可控，負反饋電路采用多個可調(diào)電阻由模擬開關(guān)選擇控制 [17]，如圖 所示： 浙江大學城市學院 畢業(yè)論文 第 2 章 理論分析與參數(shù)計算 13 圖 OPA642 作為程控寬帶放大器的電路 增益控制的相關(guān)計算 作為寬帶放 大器是 OPA642 的接法為同相放大器，采用單級放大 20dB,三級級聯(lián)，增益最大可達 60dB，大于題目所要求的 40dB。參考了 OPA642 同相放大器的電路圖，利用虛短路虛開路計算得增益 ，見公式 。 Av=3)32()(RRRRsRsRf ?? ， () 令 R3=Rs=1K 歐姆， 得公式 。 Av= 211 Rk Rfk?? ， Av(db)=20logAv。 ()