宽带放大器设计报告―－武汉大学电子设计基地设计组第1组：许可崔振威谢超摘要：本系统利用可变增益放大器AD600作为核心,通过模拟开关选通不同的控制电压的方式来达到增益步进6dB,总增益从0dB到30dB的目的，其控制电压均由2.5v电压基准MAX873经过精密电阻分压得到,有效的保证了控制电压的稳定度,获得良好的波形。

前置放大采用由AD844构成的正向放大器，可以有效的提高输入电阻,使输入电阻达到兆欧级别。

后级放大采用增益固定为10dB的同向放大器,从而使整个电路的增益能从10dB变化到40dB，该放大器由高精度宽带运放MAX477构成，在保证良好输出波形的同时,可以使输出电压有效值大于3V。

前置放大和后级放大的输出均采用峰值检测电路检测出正半周最大电压值，用于有效值的计算，采用AD603构成的AGC电路，在输入信号在0.05V～1.00V内变化时，能将输出有效值稳定在2.05～2.6 V。

整个系统的通频带为1K～14.6MHz。

由12位A/D 转换器MAX197对输出信号的峰值进行测量，分辨率达到1mV 。

AT89S52和CycloneFPGA构成的单片机小系统板可以通过键盘，人为预置增益值来获取相应的放大倍数，同时实时显示实际增益值、输出有效值和当前增益误差。

整个系统采用中文显示，界面友好美观，控制方便。

一、方案论证与选择1．增益控制部分：方案一采用普通宽带运算放大器组成的放大电路,同时由分立元件构成的AGC控制电路,通过包络检波再反馈回放大器的方法来控制放大倍数,这种方法构成电路简单,但是反馈控制比较困难，难以实现步进，精度也很低。

方案二采用集成可变增益放大器AD600作为增益控制。

AD600是一款低噪声、精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高，最大增益误差为0.5dB,满足题目要求的精度,其增益(dB)与控制电压成线性关系,因此可以方便的采用控制电压的方式来控制放大器的增益.采用D/A变换装置输出电压控制高速压控放大器AD600来实现增益的步进，采用此种方法可以获得很小的步进。

但是由这种方法得到的控制电压有一定的纹波，而芯片AD600对控制电压非常敏感，微小的电压波动就能造成输出波形上下起伏，波形不佳。

方案三主控芯片采用AD600，利用电压基准源通过精密电阻分压得到各个增益值对应得控制电压，在用模拟开关CD4051来选则不同的控制电压来达到控制增益的目的。

电压基准源采用MAXIM公司2.5 V基准MAX873。

经过比较，选用方案三。

2．有效值测量部分方案一采用检波二极管构成的峰值检测电路，然后用A/D转换器对其检测结果进行读数。

峰值检测的原理是当输入电压正半周通过时，检波管导通，对电容C充电，适当选择电容值，使得电容放电速度大于充电速度，这样，电容两端的电压可以保持在最大电压处，该电压通过一个用运算放大器构成的射极跟随器输出电压峰值。

采用这种电路优点是频带响应宽，频率越高检测反而越准确，且电路简单。

但是由于检波二极管存在一定的导通压降，且为非线性，测量精度低，小信号时尤其明显。

同时电容值的选取也使得电路有一定的局限性，如选取太大，放电时间过长，会改善输出电压发纹波，但是会导致该电路响应速度慢；如果电容选的太小，放电时间过短，能改善电路的响应时间，但也会导致低频时输出电压纹波较大。

方案二采用集成电路AD637作为有效值运算，它测量有效值的范围为0-7V，精度优于0.5%，且外围元件少，频带宽，对于一个有效值为1V的信号，它的3dB带宽为8MHz，并且可对输入信号的电平以dB形式表示。

该方案精度高，直接输出有效值，但电路稍复杂，且不适合高频信号。

经过比较，方案二中AD637对小信号测量具有很大优势，而方案一中在频带方面满足要求，考虑到题目的频带范围和制作成本的因素，采用方案一。

3．自动增益控制部分（AGC）方案一AGC电路实际上是一个根据输出电压的动态的调整放大倍数，从而使输出稳定在预定范围的反馈型电路。

根据该特点可以引入CPU、A/D和D/A转换器通过程序对放大倍数进行控制，即数字式AGC，此种AGC电路的输出范围完全由人为设定，可以很容易满足题目要求，但是需要对输出的电压值进行不间断的采样，而且D/A转换器的位数直接决定了AGC电路输出的稳定度，硬件组成方面比较复杂。

方案二采用场效应管和宽带运放制作，信号进入自动增益控制电路后，放大电路输出的交流电压经二极管和RC电路构成的包络检波器后，输出一个随平均电压变化的电压，用此电压控制工作于可变电阻区的场效应管的栅极，改变场效应管的导通电阻，使放大倍数受输入信号大小控制。

当输入信号强时自动减小放大倍数，信号弱时自动增大放大倍数，从而实现了输出幅度的自动调整。

特点在于电路简单，但频带范围较窄、精度低、输出波形也不理想。

方案三采用可变增益放大器AD603作为放大部分，同时用由高频小功率管2M3906、2M3904构成的包络检波、反馈电路来控制放大倍数，达到自动调整增益的目的。

精度高，波形好，但电路较复杂。

考虑题目要求和现有的器件，本系统采用方案三。

二、系统总体设计方案及实现方框图三、理论分析与计算1．电压控制增益原理AD600的基本增益为如下公式：G dB Vin=+G()20*20G dB是其中，Vin为差分输入电压，单位为伏，()AD603的增益，单位为dB当Vin=0.625伏时,为最G dB=40dB,当Vin=-0.625伏时,为最大增益模式()小增益模式G=40dB。

其控制电压与增益的关系如右图所示:2．AGC电路的原理AGC是自动增益控制电路的简称,广泛用于收音机,电视机的信号接受和电平处理。

其特点为：当输入信号较强时，自动将增益降低；当信号较弱时，又使其增益自动增高，从而保证输出信号的相对稳定。

AGC电路大致上可以分为三种：前馈，反馈和混合型，分别如图1，2，3所示其中前馈电路收敛比反馈的要快，但是不稳定；混合型克服了前馈和反馈电路的缺点，尤其适合用于快速衰落信道，但是电路复杂，功耗大，调试困难。

本系统中采用的是反馈型AGC，核心部件使用AD603。

AD603是美国AD(Analug Devices)公司继AD600后推出的宽频带、低噪声、低畸变、高增益精度的压控VGA芯片。

可用于RF/IF系统中的AGC电路、视频增益控制,A/D范围扩展和信号测量等系统中。

D603内部结构框图如下所示。

AD603由一个可通过外部反馈电路设置固定增益GF(31. 07~51. 07dB)的放大器、0~–42.14dB的宽带压控精密无源衰减器和40dB / V的线性增益控制电路构成。

AD603利用了X一AMP拓扑结构X一AMP由一个0—42. 14dB的可变衰减器及一个固定增益放大器构成。

其中可变衰减器由一个七级R-2R梯形网络构成，每级的衰减量为6. 02dB，可对输入信号提供0 ~ –42.14dB的衰减。

X-AMP结构的一个重要优点是其优越的噪声特性，在1MHz 带宽，最大不失真输出为1Vrms 时，输出信嗓比S/N 为86. 6dB 。

工作原理在VOUT 为正半周时Q1截止，在VOUT 为负半周时Q1导通，流人CAV 的平均电流21CAV Q Q I I I =- (温度在300K 时, 590300AD I A μ=)，当增益控制电压CAV V 处于稳定状态时，在一个周期内Q1中的整流电流的平均值必须与2Q I 保持平衡，如果AD603的输出幅度太小以致于不满足该条件，则CAV V 将迅速上升，引起增益提高，最终使Q1充分导通。

R2的选取由带隙基准原理所确定，适当选择R2使之满足VOUT= VBE + VR2 = 1.2V(即VR2=5OOmV)时，VOUT 在较宽的温度范围内将是稳定的。

对方波而言，在输入信号的幅度稳定时，V-应保持稳定，则Q 在导通的半个周期内发射极电流应为600A μ，于是得R2 = 833欧,实际应用中是正弦波并非方波。

R2的推荐值为806欧。

由于Q2, R2和Q1的配合使用，在很宽的温度范围内将使VOLT 保持稳定。

C2用于改善频率特性。

另外，改变CAV 的值可改变AGC 的时间常数,CAV 的取值一般在0.1 ~ 1F μ之间.两片AD603以并联控制方式连接，两级的GNEG 端并联接子0.5V 的电平上，GPOS 端并联，由半波检测电路的输出控制。

两级的VOUT 与FBDK 之间均接10k 欧电阻，即为模式二工作方式，其输出幅度为1.2Vrms ,增益范围为 +3 ~ +75dB 频带不小于20MHz 。

具体电路如下 图所示：3．系统增益分配的问题AD600和AD603的输入电阻只有100欧姆，如果不加前置放大电路其输入阻抗显然不满足题目要求，故采用由AD844接成的同向放大电路作为前级放大，其增益设置在20dB，输入电阻被提升到兆级（实测为1.5M）,远大于题目所要求的1K。

电路设计时在AD600前串入了一大小为910欧的电阻，由于AD600的输入电阻只有100欧，这样，实际输入AD600的信号幅度被衰减到了原来的十分之一，使前级放大倍数实际为0dB，这样做的好处是降低了AD844的负载，有利于前置器放大工作的稳定。

由于AD600在±5V供电时最大输出只能达到6～7V的峰峰值，不能作为最后的输出，故将其增益设定在0～30dB，而后级则采用一个增益固定在10dB的正向放大器，考虑到输出信号的幅度以及带负载能力，该电路的运算放大器使用宽频带，高精度运放MAX477。

四、主要功能电路的设计1．输入前级放大为了满足输入电阻大于1K，采用输入电阻很高的同向放大器作为输入的第一级，结合题目对通频带的要求最高在8M，运算放大器选用宽频放大器AD844。

具体电路如下所示：2．可变增益部分该部分以集成可变增益放大器AD600为核心,AD600的放大倍数为dB线性，它有一个电压控制端，通过改变控制端的电压就可以获得不同的放大倍数。

,AD600的性能参数如下表所示：从上述参数看到，该芯片的性能完全满足需要。

据题目要求要实现六级步进，因此需要六种控制电压。

由于该芯片对控制端的输入电压非常敏感，充分的保证控制电压的稳定性是极其重要的。

实际上我们是通过基准源分压得到。

在实现增益步进时，只需通过模拟开关选择来选择不同的控制电压即可。

具体电路如下图所示：按照AD600的特性,将第一脚(负增益控制)接-0.625V计算出十六脚(正增益控制)控制电压分别为:考虑到AD600有一定的增益误差,级联后再进一步细调。

3．后级放大部分采用固定增益为10dB的同向放大器，兼顾到了AD600带负载能力不够的因素，其核心部件为高精度宽带运算放大器MAX477。

该芯片刚好满足输出有效值大于3V，同时带600欧负载电阻所需的输出功率的要求。