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宽带直流放大器的设计与制作 摘要：本系统以单片机MSP430F449为控制核心及数据处理核心,采用可变增益宽带放大器AD603作为提高增益的核心器件,设计并制作了一个宽带直流放大器及所需的高效率直流稳压电源。以AD603构成前级放大电路，辅以程控放大电路和功率放大电路,整个系统最大电压增益达到90dB，增益可以连续调节，最小输入电压有效值为0.35mV，最大输出电压正弦波有效值达到10.6V。可以设置0~5MHz和0~10MHz两个通频带，通频带内增益起伏≤0.8dB。使用了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激，该放大器性能稳定，并具有零点自动校准功能，能较好地抑制直流零点漂移。由于采用了单片机低功耗工作模式，并且使用了一些高性价比、低功耗的器件去设计电路，因此本放大器具有成本低，功耗小，性价比高的优点。 关键词：直流放大器； 增益带宽积； 零点漂移； 线性相位； 一、方案比较与选择 题目分析：综合分析题目要求，在较宽的信号带宽（0~10MHz）内，实现最大电压增益≥60dB，且能够连续调节增益或能够以5dB步距预置增益，是本题的最大难点，也是设计的重点之一。另一难点是后级功率放大模块的设计要使最大输出电压正弦波有效值V≥10V。要得到更好的性能指标，放大电路的零点漂移也是一个很难解决的问题。此外，在整个放大器的设计中，要考虑其成本。 1、数据处理和控制核心选择 方案一：采用单片机AT89S52+FPGA最小系统板。即由单片机和FPGA来实现信号增益控制、数据处理和人机界面控制等功能。 方案二：采用单片机MSP430F449最小系统板。即由单片机MSP430F449实现整个系统的统一控制和数据处理。 本系统不涉及大量的数据存储和复杂处理，虽然方案一控制更灵活更方便，但FPGA的资源得不到充分利用，且系统规模大，成本高。而单片机MSP430F449是一种16位超低功耗微处理器，具有丰富的片上外设和较强的运算能力，且可在线编程，不用外部编程电压，使用十分方便，性价比高。故采用方案二。 2、信号增益控制及功率放大方案设计 方案一：采用三极管构成多级放大电路实现≥60dB的增益，并使用分立元件自行搭建后级功放。本方案成本低，但电路设计复杂，增益的步进调节或连续调节难以实现，调试繁琐，且电路稳定性差，容易产生自激现象。 方案二：采用集成芯片，如采用低噪声、精密控制的可变增益放大器AD603作增益控制核心器件，采用高电压输出的宽带运放完成功率输出。AD603温度稳定性高，其增益（dB）与控制电压（V）成线性关系，使用D/A输出控制电压能实现精确数控。 综上所述，采用方案二，电路集成度高、控制方便、易于数字化用单片机处理。 二、总体方案设计及系统方框图 图2-1 系统总体框图 总体方案描述：本系统采用单片机MSP430F449作为数据处理和控制核心。系统总体框图如图2-1所示。输入信号经过前级放大电路、后级程控放大和末级功率放大，实现了90dB的最大电压增益，其中为开环增益，是随频率增加而减小的函数；为反馈电阻，为接在反相输入端到地的增益电阻。当时，频率为-3dB频率，闭环增益越大，越小。 对电流型反馈型运放，带宽增益积并不为常数。其频率由反馈电阻决定，即电流反馈型运放的频率特性几乎不受闭环增益的影响。 本系统设计最大电压增益≥60dB，通频带最大达到10MHz，由于电压增益和通频带都很大，则要求的带宽增益积就更大。实际不可能会具有这么大的带宽增益积的运放，因此应该设计为多级放大。每一级放大设计时，若选用电流型运放，首先要选取合适的，再根据放大倍数的设计选取；若选用电压反馈型运放，则在放大倍数（即闭环增益）确定时，要考虑其带宽增益积足够大。整个系统的设计中，要根据通频带（5MHz或10MHz）和放大倍数来考虑整个放大系统的增益带宽积。 2、通频带内增益起伏控制 由于各器件的幅频特性以及滤波器的幅频特性不平坦等多种因素，系统通频带内增益会出现起伏。如AD603的频率响应特性有一个增益尖峰，调节AD603的5脚和7脚间的电阻可以使增益变化范围进行平移。该电阻选取合适时，将增益尖峰调节在10MHz之后，在10MHz通频带以内，保证AD603构成的前级放大电路输出信号幅度平坦。后级程控放大和功率放大，选取各参数指标（如增益带宽积、摆率、失调电流、失调电压、温度系数等）满足本系统设计要求的运放，使信号调理时在10MHz以内幅频特性平坦。再通过无源椭圆滤波器实现题目要求的5MHz和10MHz的-3dB截止频率。 椭圆函数滤波器在有限频带上既有零点又有极点，极零点在通带内产生等纹波，通频带内出现增益起伏。椭圆滤波器的通带波纹与反射系数之间的关系为：，将减小，通带波纹会减小。可根据通带内的纹波特性，将AD603的控制电压通过软