1.2 宽带放大器设计

［2003年全国大学生电子设计竞赛（B题）］

1．任务

设计并制作一个宽带放大器。

2．要求

1）基本要求

（1）输入阻抗大于等于1kΩ；单端输入，单端输出；放大器负载电阻为600Ω。

（2）3dB通频带为10kHz～6MHz，在频带20kHz～5MHz内增益起伏小于等于1dB。

（3）最大增益大于等于40dB，增益调节范围为10～40dB（增益值6级可调，步进为6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值小于等于2dB），需要显示预置增益值。

（4）最大输出电压有效值大于等于3V，数字显示输出正弦电压有效值。

（5）自制放大器所需的稳压电源。

2）发挥部分

（1）最大输出电压有效值大于等于6V。

（2）最大增益大于等于58dB（3dB带宽为10kHz～6MHz，在频带20kHz～5MHz内增益起伏小于等于1dB），增益调节范围为10～58dB（增益值9级可调，步进为6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值小于等于2dB），需要显示预置增益值。

（3）增加自动增益控制（AGC）功能，AGC的范围大于等于70dB，在AGC稳定范围内，输出电压有效值应稳定在范围4.5V≤Uo≤5.5V内（详见下文“说明”中的介绍）。

（4）输出噪声电压峰峰值Vpp≤0.5V。

（5）进一步扩展频带，提高增益，提高输出电压幅度，扩大AGC范围，减小增益调节步进。

（6）其他。

3．评分标准

论文50分，完成基本要求制作部分50分，完成发挥部分50分。

4．说明

（1）基本要求部分第（3）项和发挥部分第（2）项的增益步进级数对照表见表1.2.1。

（2）发挥部分第（4）项的测试条件为：输入交流短路，增益为58dB。

（3）宽带放大器幅频特性测试框图如图1.2.1所示。

（4）AGC电路常用在接收机的中频或视频放大器中，作用是在输入信号较强时自动减小放大器的增益，而在输入信号较弱时自动增大放大器的增益，以便保证在AGC作用范围内输出电压的均匀性，因此AGC电路实质上是一个负反馈电路。

在发挥部分的第（3）项中，AGC功能放大器的折线化传输特性示意图如图1.2.2所示。本题定义

要求输出电压有效值稳定在范围4.5V≤Uo≤5.5V内，即UOL≥4.5V，UOH≤5.5V。

1.2.1 题目分析

分析与归类原题的基本要求和发挥部分后，可将本系统要完成的功能和技术指标归纳如下：

（1）输入阻抗大于等于1kΩ，单端输入，输入电压为0.2mV～2V。

（2）输出阻抗为600Ω，单端输出，输出电压有效值Uo并显示：

（3）-3dB通频带为10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz频率范围内增益起伏小于等于1dB（基本要求）；进一步展宽通频带（发挥部分）。

（4）增益、增益控制范围、步进及误差：

最大增益大于等于40dB，增益调节范围为10～40dB，步进为6dB，误差小于等于2dB，需要显示预置值（基本要求）。

最大增益大于等于58dB，增益调节范围为10～58dB，步进为6dB，误差小于等于2dB，需要显示预置值（发挥部分）。

进一步提高增益，进一步扩大增益调节范围，减小步进（发挥部分）。

（5）AGC范围大于等于70dB（输出电压有效值稳定在范围4.5V≤Uo≤5.5V内）（发挥部分）。

（6）输出噪声电压峰峰值Vpp≤0.5V。

（7）自制放大器所需的稳压电源。

（8）其他。

1.2.2 方案论证及比较

1．总体框图及指标分配

本系统的原理框图如图1.2.3所示。本系统由前置放大器、中间放大器、末级功率放大器、控制器、真有效值测量单元、键盘、显示器及自制稳压电源等组成，其中前置放大器、中间放大器、末级功率放大器构成信号通道。其主要技术指标分配见表1.2.2。

本设计有三个重点和难点：一是增益控制；二是自动增益控制（AGC）；三是末级功率放大器的设计。增益控制和自动增益控制是两个概念，它们有联系但又有区别。请仔细阅读题目要求及说明。

2．增益控制部分

▶方案一：采用数字电位器取代反馈电阻的方法。

如图1.2.3所示，中间放大器和末级功率放大器均采用电压负反馈电路，通过改变反馈电阻来改变放大器的增益，例如采用1024个滑动端位置的数字电位器X9110或X9111。该方案采用两级控制比较麻烦。

▶方案二：采用D/A集成芯片的方法。

为便于实现最大60dB增益的调节，可以采用D/A芯片AD7520的电阻网络改变反馈电压，进而控制电路增益。考虑到AD7520是一款廉价的10位D/A芯片，输出Uout=DnUref /210，其中Dn为10位数字量输入的二进制值，可满足210=1024挡增益调节，因此满足题目的精度要求。AD7520由CMOS电流开关和梯形电阻网络构成，具有结构简单、精确度高、体积小、控制方便、外围布线简单等特点，因此可以采用AD7520来实现信号的程控衰减。然而，由于AD7520对输入参考电压Uref有一定的幅度要求，因此具体实现起来比较复杂，而且转换时的非线性误差大，带宽只有几千赫兹，不满足频带要求。

▶方案三：采用可调增益放大器AD603的方法。

根据题目对放大电路增益可控的要求，考虑直接选可调增益的运算放大器实现，如运算放大器AD603，其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在梯形网络输入端的信号经过衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量由加在增益控制接口的参考电压决定，而该参考电压可通过单片机进行运算并控制D/A芯片的输出控制电压得到，进而实现较为精确的数字控制。此外，AD603能提供从直流到30MHz以上的工作带宽，单级实际工作时可提供超过20dB的增益，两级级联后可得到40dB以上的增益，通过后级放大器放大输出，在高频时也可提供超过60dB的增益。这种方法的优点是电路集成度高，条理较清晰，控制方便，易于数字化处理。

方案比较：因方案一调整麻烦，方案二的带宽达不到题目要求，方案三能满足题目要求，所以选择方案三。

3．自动增益控制部分

自动增益控制部分采用可调增益放大器AD603。AD603的内部结构框图如图1.2.4所示。它由增益控制、精确衰减器和固定增益放大器三部分组成。

当引脚5与引脚7短路时，固定增益放大器的电压放大倍数为

电压增益为Gu=20lgAu≈31dB。

整个AD603的增益为40UG+10，当UG在-0.5～+0.5V范围内变化时，增益控制范围为-10～+30dB。

根据题目发挥部分的要求，最大增益应不小于58dB，显然一级AD603不满足要求，必须选用两个AD603串联构成增益控制放大器。二级电压增益为

当UG在-0.5～+0.5V范围内变化时，Gu的变化范围为-20～+60dB，完全满足题目关于增益的要求。

下面重点讨论如何利用AD603实现自动增益控制（AGC）。

▶方案一：由图1.2.3可知，系统信号主通道由三部分构成。

设前置放大器的放大倍数为Au1=1，末级放大器的放大倍数Au3=10，中间放大器的放大倍数，系统总电压放大倍数为

于是有

由式（1.2.3）可知，输出电压Uo与输入电压Ui成正比，与UG有一一对应的指数关系。

一般而言，Ui是未知的，而Uo可以通过真有效值电路测量得到，测得Uo时UG也是预置的（已知的），于是可以利用式（1.2.3）算得Ui的即时值，即

根据题目要求，AGC要求输出电压稳定在。

令Uo=5V，由于Ui已算出，于是根据式（1.2.4）可算出对应的控制电压值UG。将式（1.2.4）转换成

此时，由单片机控制输入一个新的控制电压UG给增益可调AD603，便在输出端得到一个稳定的电压值5V。

控制过程如下：设定一个数字量D→D/A转换为UG→测量输出电压真有效值Uo→计算即时的Ui值→计算值Uo=5V时对应的值→由控制器输入的值得到Uo=5V。

输入电压Ui改变时，Uo也会改变。Uo超过（5±0.5）V时，立即按照上述过程对UG进行修正，使Uo稳定在约5V。

▶方案二：由方案一可知，Ui的值是由控制器计算得到的。

如果能实时测出Ui的值，那么可以立即算出即时的控制电压值UG。在算出的UG控制下，输出Uo为恒定值5V。然而，AD603测量小信号时会带来较大的误差。解决办法是先将输入的小信号放大（×1、×10、×100），使其达到AD603能接受的范围。

方案比较：因为输出电压有效值要求测量，而输入电压有效值不要求测量，采用方案二时会增加一些硬件工作量，因此选择方案一。

4．功率输出部分（末级功率放大器）

根据题目要求，放大器的通频带为10kHz～6MHz，单纯地采用音频或射频放大的方法来完成功率输出时，要做到6V有效值输出难度较大，而采用高电压输出的运算放大器又不太现实，因为市场上很难买到宽带功率运算放大器。因此，这时采用分立元器件明显就具有优势。

5．测量有效值部分

▶方案一

利用高速ADC对电压进行采样，将一个周期内的数据输入单片机并计算其均方根值，即可得到电压有效值，即

此方案具有抗干扰能力强、设计灵活、精度高等优点，但调试困难，高频时采样困难且计算量大，增加了软件的难度。

▶方案二

对信号进行精密整流并积分，得到正弦电压的平均值，再进行ADC采样，利用平均值和有效值之间的简单换算关系，算出并显示有效值。只用简单的整流滤波电路和单片机就能完成交流信号有效值的测量，但此方法对非正弦波的测量会导致较大的误差。

▶方案三

采用集成有效值/直流变换芯片，直接输出被测信号的真有效值。这样做可以实现对任意波形的有效值测量。

综上所述，我们采用方案三，变换芯片选用AD637。AD637是有效值/直流变换芯片，它可测量的信号有效值高达7V，精度优于0.5%，并且外围元器件少，频带宽。对一个有效值为1V的信号的电平以dB形式指示，该方案的硬件及软件均较为简单，精度也很高，但不适用于高于8MHz的信号。

此方案硬件易于实现，可以保证在8MHz以下测得的有效值的精度，在题目要求的通频带10kHz～6MHz内精度较高。8MHz以上输出信号可采用高频峰值检波的方法来测量。

1.2.3 系统硬件设计

经过上述方案论证并结合题目的任务与要求，不难构思系统的总体框图，如图1.2.5所示。图中将输入缓冲60MHz宽带放大器放在一个屏蔽盒内，将功率放大器放在另一个屏蔽盒内。中间采用同轴电缆相连，目的在于抗干扰。

1．输入缓冲和增益控制部分

图1.2.6所示为输入缓冲和增益控制电路。由于AD637的输入电阻仅为100Ω，要满足输入电阻大于1kΩ的要求，就必须加入输入缓冲部分；另外，前级电路对整个电路的噪声影响非常大，必须尽量减小噪声。因此，采用高速低噪声电压反馈型运算放大器OPA642做前级隔离，同时在输入端加上二极管过电压保护。

输入部分先用电阻分压衰减，再由低噪声高速运算放大器OPA642放大。OPA642的电压峰峰值不超过其极限值（2V），输入阻抗大于2.4kΩ。OPA642的增益带宽积为400MHz，放大倍数为3.4，100MHz以上的信号被衰减。输入/输出口P1、P2由同轴电缆连接，以防止自激。级间耦合采用电解电容并联高频瓷片电容的方法，兼顾高频和低频信号。

增益控制部分装在屏蔽盒中，盒内采用多点接地和就近接地的方法避免自激，部分电容、电阻采用贴片封装，使得输入级连线尽可能短。该部分采用AD603典型接法中通频带最宽的一种，通频带为90MHz，增益为-10～+30dB，输入控制电压UG的范围为-0.5～+0.5V。图1.2.7所示为AD603接成90MHz带宽的典型电路。

增益和控制电压的关系为GG（dB）=40UG+10，一级的增益控制范围仅为40dB，使用两级串联时增益为-20～+60dB，满足题目要求。

由于两级放大电路的幅频响应相同，所以当两级AD603串联后带宽会有所下降，串联前的各级带宽约为90MHz，串联后的总3dB带宽为60MHz。

2．功率放大部分

功率放大部分的原理图如图1.2.8所示。参考音频放大器中的驱动级电路，考虑到负载电阻为600Ω，输出有效值大于6V，而AD603输出的最大有效值约为2V，因此选用两级三极管进行直接耦合和发射结直流负反馈来构建末级功率放大器，第一级进行电压放大，整个功率放大电路的电压增益在第一级，第二级进行电压合成和电流放大，将第一级输出的双端信号变成单端信号，同时提高通频带负载能力，如果需要更大的驱动能力，那么要在后级中增加三极管跟随器，实际上加上跟随器后通频带急剧下降，原因是跟随器的结电容被等效放大，当输入信号频率很高时，输出级直流电流很大而输出信号很小。使用两级放大足以满足题目的要求。选用NSC公司的2N3904和2N3906三极管（特征频率fT=250～300MHz）可达到25MHz的宽带。整个电路设有频率补偿，可对DC到20MHz的信号进行线性放大，在20MHz以下增益非常平稳。为稳定直流特性，将反馈回路用电容串联接地，加大直流负反馈，但会使低频响应变差，实际上这样做只是把通频带的下限截止频率fL从DC提高到了1kHz，但电路的稳定性提高了许多。

本电路采用电压串联负反馈电路，其放大倍数为

整个功率放大电路的放大倍数Aud≈10。通过调节来调节增益。根据AGC的原理分>析，这一级增益要求准确地调在Aud=10上。

3．控制部分

控制部分由51系列单片机、A/D转换器、D/A转换器和精密基准源组成，如图1.2.9所示。使用12位串行A/D转换器芯片ADS7816T、ADS7841（便于同时测量真有效值和峰值）和12位串行双D/A转换器芯片TLV5618。精密基准源采用带隙基准电压源MC1403。

4．稳压电源部分

稳压电源部分的电路图如图1.2.10所示，输出±5V、±15V电压供给整个系统。

5．正弦电压有效值的计算

AD637的内部结构图如图1.2.11所示。根据AD637芯片手册，真有效值的经验公式为

式中，Uin为输入电压，Urms为输出电压有效值。

6．抗干扰措施

系统的总增益为0～80dB，前级输入缓冲和增益控制部分的增益最大可达60dB，因此抗干扰措施必须要做得很好才能。避免自激和减小噪声的方法如下：

（1）在布线过程中，将输入缓冲级、增益控制部分和功率放大部分按顺序一条龙放置。输入插孔与输出插孔分别在印制板的两端引出。输入、输出均采用同轴电缆连接。各级分别装在屏蔽盒内，防止级间及前级与末级之间的电磁耦合，有利于系统工作稳定，避免自激。

（2）电源隔离：各级供电采用电感隔离，输入级和功率放大级采用隔离供电，输入级电源靠近屏蔽盒就近接上1000μF电解电容，盒内接高频瓷片电容到地，通过这种方法可避免低频自激。

（3）地线隔离：各级地线要分开，特别是输入级、增益控制部分与功率放大级、控制部分的地线一定要分开，并且用电感隔离。防止末级信号和控制部分的脉冲信号通过公共地线耦合至输入级。在输入级，将整个运算放大器用较粗的地线包围，除信号走线、电源线外，其余部分均作为地线，形成大面积接地，以便吸收高频信号，进而减少噪声。在增益控制部分和功率放大部分也可以采用此方法。

（4）数模隔离：数字部分和模拟部分除采用电源和地线隔离外，还要注意数字电路部分的脉冲信号通过空间感应到模拟部分。因此，数字电路部分与模拟电路部分之间要有一定的距离，整个模拟部分甚至要屏蔽。

（5）输入级和增益控制部分要选择噪声低的元器件，如电阻一律采用金属膜电阻，以避免内部噪声过大。

（6）级间耦合：在有条件的情况下最好采用直接耦合，若需要电容耦合，则必须采用电解电容与高频瓷片电容并联进行耦合，避免高频增益下降。

（7）其他：同一级放大部分的地线与电源线均分别接在同一点，去耦电感和电容参数不能相同。

1.2.4 系统软件设计及流程图

本系统的单片机控制部分采用反馈控制方式，通过输出电压采样来控制电压增益。由于AD603的设定增益与实际增益之间存在误差，因此软件上还要进行校正。软件流程图如图1.2.12所示，AGC子程序流程图如图1.2.13所示。

1.2.5 系统调试和测试结果

1．测试方法

将各部分电路连接起来，首先调整0dB，使输出信号幅度和输入信号幅度相等；然后接上600Ω的负载电阻，进行整机测试。

2．测试结果

（1）输入阻抗：电路的设计能保证输入阻抗大于1kΩ，满足题目要求。

（2）输出电压有效值测量：输入加100kHz正弦波，调节电压和增益测得不失真最大输出电压有效值为9.30～9.50V，达到题目大于等于6V的要求。

（3）输出噪声电压测量：增益调到58dB，输入端短路时，输出电压峰峰值约为300mV，满足输出噪声电压小于等于0.5V的要求。

（4）频率特性测量：增益设为40dB挡，输入端加10mV正弦波，由于信号源不能保证不同频段的10mV正弦波幅度稳定，因此每次测量前要先调节信号源，使得输入信号保持为约10mV，再测量输出信号。频率特性测试数据见表1.2.3，幅频特性曲线如图1.2.14所示。

由表1.2.3中的数据和图1.2.14所示的曲线可知，3dB通频带在低频端达到1kHz，在高频端超过20MHz，由于信号源无法产生频率大于20MHz的信号，因此无法测量；从5MHz以上增益的趋势来看，最终通频带的高频端应该大于20MHz，比较符合后级功率放大的理论高频截止频率为25MHz的要求。在20kHz～5MHz频带内，增益起伏小于等于0.2dB。

（5）增益误差测量：输入端加有效值为10mV、频率为1MHz的正弦信号，保持幅度稳定，然后预设增益值测量输出信号来计算增益误差。增益误差测试数据见表1.2.4。

由表1.2.4中可以看出增益误差在0.2dB内，频率较高时，随着输出电压的增大，增益有下降的趋势，这是因为后级功放管的工作状态即将接近饱和，通过提高后级电源电压可以使增益更加稳定。

实现了发挥部分增益步进为1dB、增益在0～80dB之间可调的功能。0dB放大是后级功率放大的调零点，需要事先校正，所有大于0dB的增益都以0dB为基准。

测量58dB以上的增益时，以10mV输入会使得输出饱和，故采用固定输出的方法：给定增益，然后减小输入信号，使得输出信号有效值保持为7.00V，再计算增益。高增益测试数据见表1.2.5。

高增益时，输入信号的噪声较大，实际波形不理想，但有效值的变化范围不大。增益达到80dB时，输入1mV就能使输出饱和，噪声电平和信号电平差不多，只能看到噪声信号中有输入信号的轮廓，并且这时用示波器无法测量输入信号电压有效值，但输出却有和输入同频率的正弦波。由于示波器测量的是电压有效值，当信号很小时误差较大，所以增益高时误差较大。从变化趋势来看，放大80dB的误差应该小于2dB，满足题目要求。从整体来看，设计的放大器的增益为0～80dB，步进为1dB，60dB以下的增益误差小于等于0.2dB。

（6）自动增益控制（AGC）测量：将放大器切换到AGC模式，改变输入信号电压，观察输出信号并记录输出电压。由于采用单片机控制增益，AGC范围和增益控制范围一致，理论上AGC增益范围为0～80dB。设定AGC输出电压范围为4.5～5.5V，把输入信号调到1MHz，将有效值从1mV起向上调，测量输出电压有效值。自动增益控制测试数据见表1.2.6。

由表1.2.6可知，输入信号从1mV变化到2V，输出信号变化范围不超过0.2V，当输入信号有效值大于2V时，输入保护电路开始起作用，输出端得到的是畸形的正弦波，故无法测量到增益为0dB的情况。

输入信号变化范围为20lg(2000/1)≈66dB，输出信号范围为20lg(5.12/4.98)≈0dB，所以得到AGC范围为66-0=66dB。

调节AGC输出电压范围可让功放输出在0.1～6.5V之间，AGC的最小间隔为0.1V，若将输出信号限制在范围1.0～1.1V内，则AGC范围将达到70dB以上。

（7）输出电压测量：通过数码管显示输出电压的有效值，与实际测量值比较，误差小于等于5%。

3．误差分析

实验测量误差的主要来源是电磁干扰，由于实验场地有许多计算机和仪器使用开关电源，电磁噪声很大，而且所用同轴电缆的屏蔽效果不好，因此当输入端短路时测得的噪声电压会随输入短接方式的不同而有很大误差。

4．测试性能总结

本设计偏重于模拟电路处理，得到了很高的增益和较小的噪声。采用多种抗干扰措施来处理前级放大，选用集成芯片进行增益控制，利用分立元器件进行后级功率放大，放弃了较难买到的宽带功率运算放大器，因而设计很灵活，也很容易实现。测试结果全面达到设计要求，多个技术指标甚至超出要求，在AGC算法上尤其有独特之处。

注意：此题在培训过程中必做，但在安装调试图1.2.8所示的电路时，三极管2N3904和2N3906的引脚e、b、c是根据因特网提供的资料焊接的，经实际调试发现均有问题，甚至会烧坏功放管，原因是因特网上提供的资料有误，e、c两个引脚接错，因此在焊接之前应先用三用表对三极管进行测试并判断引脚e、b、c，然后再进行焊接。