電壓控制增益可變放大器設(shè)計(vga)設(shè)計(doc)

1、<p>　　題目: 電壓控制增益可變放大器設(shè)計（VGA）設(shè)計</p><p><b>　　216第四組</b></p><p>　　摘要:基于壓控增益放大器VCA822，設(shè)計一個能夠?qū)︻l率大于15MHz，幅值小于1V的信號進(jìn)行調(diào)理的程控增益放大器。該放大器增益17~58dB可調(diào)，具有自動增益控制的功能。放大器的輸出端用寬帶運(yùn)放AD811和分立元件搭建的推挽電

2、路，加強(qiáng)該放大器的驅(qū)動負(fù)載的能力。</p><p>　　關(guān)鍵詞：寬帶放大器；VCA822；自動增益控制；推挽電路</p><p>　　Abstract: Using FPGA as control core, a new method of designing a programmable gain amplifier which can handle with the signal th

3、at has the frequency more then 15MHz, and the amplitude less then 1V by using volt-controlling gain amplifier VCA822 is presented as following. The amplifier can be modulated from 10dB to 58dB, with the function of autom

4、atically controlling gain. The output side of this amplifier adopts the push-pull circuit constructed by wideband amplifier AD811 and discrete componen</p><p>　　Key words: wideband amplifier; VCA822; control

5、 of gain; push-pull circuit</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1、系統(tǒng)方案比較與設(shè)計3</p><p>　　1.1總體方案論證3</p><p>　　1.2主放大器選擇3</p><p>　　1.3中間放大級方案論證3<

6、/p><p>　　1.4末級功率放大器方案論證4</p><p>　　2、理論分析與計算5</p><p>　　2.1帶寬增益積分析5</p><p>　　2.2輸出電壓幅值5</p><p>　　2.3放大器穩(wěn)定性分析5</p><p>　　3、單元電路設(shè)計5</p>&

7、lt;p>　　3.1前級緩沖電路5</p><p>　　3.2增益可調(diào)的中間放大級6</p><p>　　3.3末級功率放大7</p><p><b>　　4、系統(tǒng)測試7</b></p><p><b>　　3.1測試方法7</b></p><p><b

8、>　　3.2測試步驟8</b></p><p>　　3.3所用儀器設(shè)備8</p><p><b>　　3.4數(shù)據(jù)記錄8</b></p><p><b>　　5、結(jié)論8</b></p><p><b>　　6、參考文獻(xiàn)8</b></p>

9、<p><b>　　7、附錄8</b></p><p>　　1、系統(tǒng)方案比較與設(shè)計</p><p><b>　　1.1總體方案論證</b></p><p>　　分析VGA放大器設(shè)計要求的指標(biāo)，增益調(diào)節(jié)范圍為17～58dB，帶寬大于等于15MH，控制電壓Vg= -1V～+1V，Ri>10MΩ；當(dāng)接50Ω的負(fù)

10、載，要求Vop≥10V。</p><p>　　針對上述特點(diǎn)，我們將整個放大器分為三個模塊：前置緩沖級，增益可調(diào)的中間放大級，末級功率放大級。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。其中難點(diǎn)是增益可調(diào)放大級和末級功率放大級，下面對這兩個部分的方案分別進(jìn)行設(shè)計論證。</p><p><b>　　圖1、系統(tǒng)整體框圖</b></p><p><b>　　1.

11、2主放大器選擇</b></p><p>　　方案一：采用分立元件設(shè)計。</p><p>　　此方案元器件成本低，但設(shè)計復(fù)雜度較大，并且由于受到眾多寄生元件的影響，調(diào)試工程復(fù)雜且周期長，頻率高時更突出。</p><p>　　方案二：采用高速寬帶集成運(yùn)放組成多級運(yùn)放電路。</p><p>　　應(yīng)用多級運(yùn)放可以得到很大的增益，并且對單個

12、運(yùn)放的性能要求較低，系統(tǒng)總增益等于各運(yùn)放增益的和，可以將信號放大和功率放大分開處理；帶寬也比較好控制，可以選擇多種耦合方式，充分的發(fā)揮出電路的性能；電路結(jié)構(gòu)也比較簡單，性價比也比較高。</p><p>　　方案選擇：由于題目要求的增益帶寬積很大，性能要求比較高，所以選擇方案二采用多級運(yùn)放電路。</p><p>　　1.3中間放大級方案論證</p><p>　　方案一

13、：采用三極管構(gòu)成多級放大電路</p><p>　　若用分立元件構(gòu)成 58dB 放大器，則須采用三極管構(gòu)成的多級放大器。此方案選材方便、成本較低。但是選擇合適的三極管配對組合費(fèi)時費(fèi)力，并且題目給出的指標(biāo)較高，三級管構(gòu)成的多級放大器容易引起更多的干擾，影響放大質(zhì)量。此外，晶體管構(gòu)成的多級放大電路不易實(shí)現(xiàn)大范圍的增益連續(xù)可調(diào)，這是相比于集成運(yùn)算放大器的又一大缺點(diǎn)。</p><p>　　方案一：采

14、用帶寬增益積大的運(yùn)算放大器制作多級放大電路。</p><p>　　以O(shè)PA842 和OP37為例，利用OPA842 帶寬增益積大的特點(diǎn)，使輸入的小信號充分放大，再用軌對軌運(yùn)放TLV2462放大至有效值10V。這種方法采用電位器或者數(shù)字電位器連續(xù)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，設(shè)計簡潔，但是要求-1～1V電壓控制，難以實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　方案三：采用集成寬帶的可調(diào)增益放大器。</p>&

15、lt;p>　　題目要求-1～1V電壓控制，我們選擇了寬帶可控增益放大器VCA822，最大工作頻帶寬度可達(dá)150MHz，放大器增益由控制電壓和外圍電阻阻值共同決定，可以很好的滿足需求。并且，VCA822采用電壓控制放大，能夠方便的通過單片機(jī)配合DAC控制。</p><p>　　比較上述三種方案：方案一調(diào)整增益不便，方案二的難以實(shí)現(xiàn)題目要求的壓控，方案三能夠很好的滿足要求，最終選擇方案三。</p>

16、<p>　　1.4末級功率放大器方案論證</p><p>　　方案一：若采用分立元件，使用大功率、高速三極管推挽輸出可以提高放大器的輸出功率，驅(qū)動能力較強(qiáng)。但這種電路溫度漂移嚴(yán)重，低頻及直流時會嚴(yán)重影響輸出效果。并且元器件較多，布線與調(diào)試繁瑣、抗干擾能力較差。</p><p>　　方案二：采用集成功率放大芯片，如AN7115。這種方法簡潔，調(diào)節(jié)方便。但是集成功放一般用于音頻放大

17、，無法滿足寬帶要求。</p><p>　　方案三：采用運(yùn)放配合三極管實(shí)現(xiàn)。使用電流反饋型運(yùn)放AD811和三極管2N3904和2N3906構(gòu)成甲乙類互補(bǔ)對稱功放電路，加入適當(dāng)?shù)姆答?，即可提供大的電壓增益和電流增益，從而達(dá)到寬帶功放的目的。</p><p>　　比較上述三種方式：使用分立元件有其優(yōu)勢，但是調(diào)試?yán)щy，低頻響應(yīng)與穩(wěn)定性之間有矛盾，不適合作直流放大；集成功率放大器難以滿足寬帶放大要求

18、；使用電壓反饋型運(yùn)放OPA642芯片配合三極管可以方便的實(shí)現(xiàn)了上述功能。最終選擇方案三。</p><p><b>　　2、理論分析與計算</b></p><p>　　下面結(jié)合寬帶放大器的各項(xiàng)指標(biāo)，主要包括帶寬增益，輸出電壓幅值，穩(wěn)定性，線性相位分析4個方面，進(jìn)行簡要的理論分析計算，同時確定電路設(shè)計所需要的元器件。</p><p>　　2.1帶寬

19、增益積分析</p><p>　　由于多級放大電路的通頻帶比組成它的每一級的通頻帶窄，所以在芯片選型和電路設(shè)計中要分析帶寬增益積，合理地配置各級的增益和帶寬。主要指標(biāo)分配為：</p><p>　?。?）前置緩沖器：阻抗匹配，信號衰減一倍；AD818同向放大兩倍，最終增益為0dB，帶寬>130MHz ；</p><p>　?。?）中間放大級： -1～1V電壓控制V

20、CA822增益-20～20dB，帶寬>60MHz ；OPA699增益等于29 dB，帶寬>33 MHz；VCA822和OPA699都要進(jìn)行阻抗匹配，信號衰減2倍；最終增益-2～37dB。</p><p>　　（3）末級放大級： 增益>20dB，帶寬>20MHz。</p><p>　　這樣設(shè)計的寬帶放大器增益范圍大于17～57dB，頻帶寬度大于15MHz。</p

21、><p><b>　　2.2輸出電壓幅值</b></p><p>　　在0～15MHz 的通頻帶內(nèi)，要求負(fù)載RL=50Ω，VOP≥10V。</p><p>　?。?）經(jīng)計算得功率≥5W所以負(fù)載電阻需要大功率的水泥電阻。</p><p>　　（2）輸出電流≥2A，所以放大電路之后需要加一個功率放大電路。</p>

22、<p>　　2.3放大器穩(wěn)定性分析</p><p>　　由于采用三級放大器級聯(lián)的方式，為了減少高頻自激和消振困難，電路布線盡可能短，還要注意阻抗匹配；同時，為了消除內(nèi)阻引起的寄生震蕩，還要在運(yùn)放電源端就近接去耦電容。</p><p><b>　　3、單元電路設(shè)計</b></p><p><b>　　3.1前級緩沖電路<

23、/b></p><p>　　圖2、前級緩沖電路圖</p><p>　　前級輸入信號由示波器提供，其中，示波器的有51的內(nèi)阻，所以需要進(jìn)行阻抗匹配，匹配信號源和傳輸線之間的阻抗，減少反射，避免振蕩，通過電阻分壓將信號衰減一半。AD818進(jìn)行同相放大，增益 ：</p><p><b>　　=1+ / =2</b></p><

24、;p><b>　　最終使得</b></p><p>　　3.2增益可調(diào)的中間放大級</p><p>　　圖3、增益可調(diào)的中間放大級電路</p><p>　　中級放大器使用一片VCA811和一片OP699實(shí)現(xiàn)。寬帶可控增益放大器VCA822，在控制電壓的作用下，可實(shí)現(xiàn)精確的增益，且按線性變化。其基本增益：</p><p&

25、gt;　　其中是-1~1V的控制電壓，可以通過單片機(jī)通過AD轉(zhuǎn)換控制輸入，本課題直接通過電阻分壓，通過調(diào)節(jié)定位器控制輸入。</p><p>　　VCA822后面接入OPA699，OPA699為高增益、高擺率寬帶運(yùn)放，其工作帶寬可達(dá)到1000MHz，采用該器件設(shè)計增益G為30的放大器，完全滿足帶寬為15MHz的要求。 </p><p><b>　　3.3末級功率放大</b&g

26、t;</p><p><b>　　圖4、末級功率放大</b></p><p>　　為了增加系統(tǒng)的帶負(fù)載能力，考慮到運(yùn)算放大器AD811自身負(fù)載驅(qū)動的限制，這里選用AD811配合高頻中小型功率三極管2N3904（NPN型）和2N3906（PNP型）（兩功率管特征頻率）OCL功率放大器。前級由AD811組成反向相放大器：</p><p><b

27、>　　= / =6.5</b></p><p>　　反向放大不需要進(jìn)行阻抗匹配，可以避免增益的衰減。</p><p><b>　　4、系統(tǒng)測試</b></p><p><b>　　3.1測試方法</b></p><p>　　1、頻率不變，通過改變輸入信號的大小，測量輸出并記錄數(shù)據(jù)，

28、繪制增益控制特性曲線。</p><p>　　2、輸入信號不變，頻率的大小，測量輸出并記錄數(shù)據(jù)，測試放大器的頻率響應(yīng)特性。</p><p><b>　　3.2測試步驟</b></p><p>　　1、從前級緩沖、中級放大、末級功放一級一級地檢查地測量電路。</p><p>　　2、每一級檢查無誤后開始連調(diào)。</p&g

29、t;<p>　　3、頻率不變，通過改變輸入信號的大小，用示波器測量輸出并記錄數(shù)據(jù)。 </p><p>　　4、輸入信號不變，頻率的大小，用示波器測量輸出并記錄數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　3.3所用儀器設(shè)備</b></p><p>　　電 源：直流穩(wěn)壓電源YB1732A/3A YB1732A/3A</p>

30、<p>　　信 號 源：數(shù)字信號發(fā)生器 SPF20A SPF20A</p><p>　　波形測量：數(shù)字雙蹤示波器 SDS1102CFL SDS1102CFL</p><p><b>　　3.4數(shù)據(jù)記錄</b></p><p><b>　　5、結(jié)論</b></p><p><b>

31、;　　6、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]代萬輝，陳松方，全國電子設(shè)計大賽培訓(xùn)寶典[M]，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012</p><p>　　[2] 康華光,陳大欽，張林，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),[M]，北京，高等教育出版社，2006</p><p><b>　　7、附錄</b></p><p>

32、;<b>　　附錄一：系統(tǒng)總圖</b></p><p><b>　　附錄二：元器件清單</b></p><p>　　AD818 1片</p><p>　　VCA822 1片</p><p>　　OPA699 1片</p><p>　　AD818 1