宽带直流放大器的设计

刘三军，樊江川，宴佳治，廖红华

(湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000)

随着微电子技术的发展，人们迫切地要求能够远距离、迅速而准确地传送多媒体信息.于是，无线通信技术得到了迅猛的发展，技术也越来越成熟.而宽带放大器是上述通信系统和其它电子系统必不可少的一部分，随之，人们对它的设计要求也越来越高.宽带放大器广泛应用于A/D转换器、D/A 转换器、有源滤波器、波形发生器、视频放大器等电路；例如在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中，宽带放大器都有十分广泛的应用和良好的市场前景[1].

放大器是能把输入信号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成.宽带放大器可以作为高频功率放大器使用，高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出；因而可以用宽带放大器作为发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平.按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器[2].

在“低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态.甲类放大器电流的流通角为360°，适用于小信号低功率放大.乙类放大器电流的流通角约等于 180°；丙类放大器电流的流通角则小于180°.乙类和丙类都适用于大功率工作，丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者.高频功率放大器大多工作于丙类[3].但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大.由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小.

本系统以微功耗单片机MSP430FG439[4]为控制核心，采用丙类放大电路设计出直流放大器，电压增益变化范围为0～60 dB，步距为6，最大输出电压正弦波有效值Vo≥10 V,输出信号波形无明显失真，3 dB通频带0～10 MHz，电源采用自制直流稳压电源，其输出电压稳定，纹波小.

图1 采用分立元件的原理图Fig.1 Schematic based onseparate components

图2 电路框架图Fig.2 Schematic of circuit

1 系统方案比较与设计

1.1 主放大器及输入输出电路

1)采用纯分立元件，前级采用差分放大，中间级采用共基-共射高频放大电路，后级采用射集跟随器输出，其电路图1所示.

差分放大电路有很好的共模抑制比，并且抑制零点漂移能力也很强，因此用其作输入级.

共射极放大电路对电压和电流都有放大作用，共集电极放大电路常用作电压跟随器，共基极放大电路只有电压放大作用，没有电流放大，输入电阻小，高频特性较好，用于高频或宽频带低输入阻抗的场合.因此结合两者的优点，采用共基-共射高频放大.

共射极只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用，输入电阻最高，输出电阻最小，频率特性好，用于输出级.

2)采用集成运放实现宽带直流增益放大.集成运放输入阻抗很大输出阻抗可以很小，一般小于200 Ω.采用闭环放大，其增益因负反馈而使电压输出稳定，零点漂移小.原理如图2所示.

综上所述，采用分立元件高频三极管或射频管放大时，其优点是性价比高，放大倍数大，缺点是直流零点漂移不易控制，且其受温度影响很大，且电路复杂，不易调试，对制PCB板要求很高，短时间内难以完成.而采用集成运放放大时，其抑制零点漂移能力强，放大器稳定，通频带内增益稳定，通过选择适当型号的运放可以达到题目要求，即3 dB通频带0～10 MHz，在0～9 MHz通频带内增益起伏≤1 dB.采用集成运放电路缺点是成本比分立元件要高，功耗相对较大，但是电路简单容易实现，易于调试.综合考虑，选用多级集成运放来实现.

1.2 增益控制电路

1)采用场效应管或三极管控制增益.主要利用场效应管的可变电阻区(或三极管等效为压控电阻)实现增益控制，电路简单，调试复杂.

2)采用高速乘法器型D/A实现.利用D/A转换器的VRef作信号的输入端，D/A的输出端做输出.用D/A转换器的数字量输入端控制传输衰减实现增益控制.此方案简单易行，但经实验知：当信号频率较高时，系统容易发生自激，因此不选此方案.

3)利用能够压控增益的放大器实现.其特点是可以用单片机方便地预置增益.

由于主放大器可以找到压控增益的器件，本系统采用方案3.

1.3 稳压电源

1)由整流电路和稳压电路两部分组成，稳压电路接在整流电路和负载之间，采用了三端可调稳压集成电路LM337作为±15 V,7912作为±12 V稳压，LM7905作为±5 V稳压.该稳压电源的电路非常简单，输出电压纹波很小.

2)开关稳压电源.此方案效率高，但电路复杂, 开关电源的工作频率通常为几十至几百KHz，基波与很多谐波均在本放大器通频带内，极容易带来串扰.

电源模块选择方案一中的串联型稳压电源.

图3 抑制直流零点漂移的电路Fig.3 Circuit to Restrain dc zero-point drift

2 理论分析与计算

2.1 带宽增益积

AV1=20×40=800倍≈58 dB

第三级采用AD811[6]用来实现放大器的带宽可预置功能，据其数据手册可知，其在供电±15 V时增益带宽积GBP=66 MHz.

由于第三级承担系统带宽可预置的功能，预置点为5 MHz、10 MHz，由AD811的增益带宽积GBP=66 MHz，系统的最大放大倍数为60 dB(1024倍)可知，其分别对应的放大倍数如下：

前两级最大放大倍数为：

2.2 抑制直流零点漂移

放大器直流弱信号放大导致零点漂移，发生在前级放大器.因此用电位器W1(如图3)调节放大器的零点.在系统已经调试完毕后，用固定电阻代替W2.

2.3 放大器稳定性

本系统工作稳定度很大程度上受多级运放在深度负反馈时的自激振荡的影响，输出波形很容易失真.

改进方法：破坏自激振荡条件[3]:

其中幅值裕度Gm≤-10 dB，相位裕度φm≥ 45°保证可靠稳定，留有余地，以保证不会自激振荡.消除自激振荡的措施如下：

由于深度负反馈易造成自激振荡，因此在运放的输入端与输出端接上小于10 pF的电容，进行频率补偿，从而达到相位破坏自激振荡的条件.

2.4 直流稳压电源的效率计算

1)对于LM317和LM337来说，使用的输出电压分别是±14 V，输入电压分别是±23 V,输出最大电流是1.5 A，其效率分别为：

2)对于L7812和L7912而言，输入电压分别为±23 V，输出为±12 V，最大输出电流量为1.5 A，其效率分别为:

3)对于KA7805和KA7905而言，输入电压分别为±12 V，输出电压为±5 V.最大输出电流时1 A，其输出效率均为21.74%.

3 系统电路结果分析

3.1 测试结果

表1 调节系统电路第三级的测量结果Tab.1 Result of Vpp when adjusting the third amplifier

表2 调节系统电路前两级的测量结果Tab.2 Result of Vpp when adjusting the front two ampliflers

2)当增益为最大时，最小输入电压可达到15 mV;

3)3 dB时增益通频带为0～600 KHz(增益为40 dB时测得)，通频带内增益起伏≤1 dB；

4)放大器的输出负载为50 Ω；

5)直流稳压源的效率为45%、31%、7%；

6)当输入电压为100 mV时，单独调节第三级，使Vpp最大时的测量结果如表1所示；当输入电压为100 mV时，调节前面两级，使输出端得到最大增益，测量结果如表2所示.

3.2 结果分析与误差分析

1)根据测试结果，与理论计算比较分析如下所示[7]：①3 dB的通带频据数据手册计算为66 MHz×200 MHz=13 200 MHz;②最大电压增益在多级开环增益AV为约为无限大;③直流稳压电压效率.

2)测试误差分析：

可能有以下原因:①电路中及外界电信号的干扰，包括函数发生器和示波器的电缆线，造成较大杂波信号，并且被运放放大； ②要得到稳定的输出电压，需要负反馈，但很容易造成深度负反馈，从而产生自激振荡，对信号的输出有很大的影响；③PCB板布线有缺陷，高频干扰很严重；④运放芯片都是插上去的，而不是直接焊上，造成干扰;⑤数字电位器在高频信号时，其阻值有较大的变化，不利于电压增益AV可预置[8].

4 结论

4.1 本设计未能达到的指标及其原因

1)3 dB时增益通频带为0～10 MHz，通频带0～5 MHz内增益起伏≤0.1 dB.

原因分析：没有发挥运放的通频带的潜能，没能在高增益时较好的消除自激振荡；

2)在AV=60dB时，输出端噪声电压的峰-峰值VONPP≤0.3 V,没有达到要求；

原因分析：电路中分布电容和杂散电容对电路的稳定性有很大影响.

4.2 需要改进的地方

这次作品有很多需要改进的地方.

1)输入输出没有采用滤波电路，可在每一级之间加上低通滤波电路，降低噪声干扰.

2)电路板设计方式有待改善，如覆铜、前后两级之间加上屏蔽盒，以减小高频干扰.高频宽带增益控制模块具有增益调节范围大、工作频率范围宽、控制灵活及成本低廉等优点.但是，对照芯片AD811和OP639的技术指标,我们发现仍有潜力可挖掘.

3)自激振荡还没有完全消除.

4.3 本设计的创新点

1)当电路确定时，根据第三级的增益带宽积为常数，来实现放大器带宽可预置5 MHz、10 MHz；

2)用数字电位器来实现电压增益AV可预置；

3)采用低功耗单片机MSP430单片机，可降低整体功耗.

[1] 李景峰，陆生礼.电视调谐器中电阻负反馈结构的宽带低噪音放大器设计[J].电子器件，2009，32(4)：771-773.

[2] 庄海军.基于软件仿真的高频功率放大器设计[J].电子工程师，2008，34(11)：33-34.

[3] 康华光.电子技术基础(模拟部分)[M].北京： 高等教育出版社，2005：382-395.

[4] 洗建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008：123-133.

[5] 黄争.德州仪器商性能模拟器件在大学生创新设计中的应用与快速选型指南[S].上海德州仪器有限公司大学计划部，2009：7-11.

[6] 康华光.电子技术基础(数字部分)[M].北京： 高等教育出版社，2005：435-440.

[7] 谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].3版.武汉： 华中科技大学出版社，2006：186-194.

[8] 王正林，王胜开，陈国顺，等.MATLAB/Simulink与控制系统仿真[M].2版.北京： 电子工业出版社，2008：109-117.