宽带放大器(B题)析评

2003年全国大学生电子设计竞赛B题，即宽带放大器，湖北赛区参赛队只有13队应试，占本赛区参赛队总数的5.7%；但全国唯一的索尼杯奖却由该题参赛队获得。本文试图从对题意的领会、典型高速宽带运放AD603性能介绍及典型设计方案示例三个方面作粗浅释析，意在交流、切磋并望赐教。

对题意的领会

对于题目基本部分和发挥部分的要求，最好将其分类、归纳，与教学训练内容结合起来，以便把握操作。现将宽带放大器需要满足的技术指标整理如下：

1.带宽 3dB通频带为10kHz～6MHz，可以扩展。

2.增益 （1）最小值为10dB，基本指标为40dB，最大值≥60dB。（2）可步进调节，在10～58dB范围内，步进间隔为6dB；要求更高时，步进间隔为2dB。（3）可预置增益值，并显示。（4）预置增益值与实测增益值的误差要求：在步进间隔为6dB时，误差小于2dB；在步进间隔为2dB时误差小于1dB。（5）带内增益平坦度要求：在增益为40dB时，在20kHz～5MHz范围内，增益起伏小于1dB。（6）自动增益控制要求：在4.5V≤V0≤5.5V范围内，AGC范围≥20dB，即输入信号的ViH/ViL大于12.2倍。

3.最大输入电压幅度（有效值） （1）基本要求≥3V；（2）扩展要求≥6.5V；（3）数字显示正弦电压有效值。

4.噪声性能 在AV=58dB时，输出噪声峰－峰值不大于0.5V。

5.输入阻抗≥1kΩ；负载电阻为600Ω；单端输入、单端输出。

6.进一步提高各项技术指标，扩展功能。

对题意要求作了如上整理后，在作总体方案设计时，至少有三点思路易于明确：

（1）器件选择必须选择宽带、低噪、增益可程控放大的器件，且这类器件必须从新型的高速宽带运算放大器中去寻找；分立元件很难奏效。

（2）硬件系统；根据最大输出电压幅度和最大增益要求，系统可分为3级、2级或1级（满足基本要求）来实现，每级的增益分配都不会太大，易于实现。

（3）增益指标这一项，内容较复杂，但主要都是依靠编程技术来完成。对多数参赛学员来说，这个问题现在已不算太困难。因此，在完成本题任务时，对题意的分析、整理，显得非常重要。

AD603运放性能介绍

由上可见，完成本题的关键在于选择好宽带、低噪、增益可控制的放大器件。从本次竞赛作品的测评中看，有的作品正是这样做了，如选择AD603、UA733等，因而取得的成绩较好。这里侧重介绍一下高速宽带运放AD603的有关技术性能。

1.AD603的特性

图1为AD603的引脚图，表1为其引脚功能，图2为AD603原理框图，图3为其最大增益与Rx之间的关系。这些图表对了解AD603的电气性能非常有用。

2.电气性能

（1）增益特性

①固定增益上限Av(0) ：与5、7脚之间的外接电阻Rx有关，Rx=0（5、7脚短接），Av(0)max=30dB。Rx=6.44kΩ，Av(0)max=50dB。所以，固定增益的上限为（30～50）dB。

②增益衰减范围：由内部R-2R精密梯形网络实现，R=100Ω，每节衰减6dB，共有7节，总的衰减能力约40dB。可见运放的增益在其上限之下，有40dB的可调范围。

③增益控制调节方法：1、2脚都是其控制电压Vg的接入端，由Vg控制内部衰减网络的无级变化，从而实现40dB范围内任一步进间隔的增益调节；Vg是1、2脚之间的电位差，范围是[-0.5V,0.5V]，超出该范围时，Vg的作用与区间端电压相同；在Vg控制下，放大器的对数增益（以分贝表示）与Vg成线性关系（Vg的单位为V）：Av(Vg)=40Vg+(Gmax-20)(dB)。

例如：当Rx=0，Gmax=30dB,Vg∈[-0.5V，0.5V]时,AV(Vg)范围为:-10~30dB。当调节范围超过40dB时,需用级联方式解决。

另外，控制端1、2脚之间输入电阻达50MΩ，对Vg接入电路不会产生影响；在内部，1、2脚与信号输入端3、4脚之间无电的联系。因此，Vg调节增益是独立进行的。

（2）带宽 当Gmax=30dB时，BW0.7=90MHz；当Gmax=50dB时，BW0.7=9MHz，即单位增益带宽接近3GHz；带内增益起伏小于0.5dB；大信号电压转换速率：275V/μs。

（3）低噪声性能 1.3nV/Hz。故即使在100MHz频带里，噪声峰-峰值也仅0.13V左右。

（4）输入电阻 100Ω。这是由其R-2R网络决定的。因此为提高输入阻抗，可采用宽带运放跟随器作输入级。

（5）极限参数及应用范围 表2为AD603极限参数及应用范围。

3. 使用注意事项

（1） 输入信号必须直接接在3、4脚上，否则影响精度。（2） 参考电压必须非常稳定。（3） 信号输入端宜加保护电路，以防过压输入。（4） 容易自激。电源和地之间加去耦电容，各级电源之间加电感线圈隔离。（5） 对容性负载敏感，易造成自激，当用同轴电缆连接输出时，宜加缓冲器隔离。（6） 前后级易产生电磁耦合，必要时需用铜屏蔽盒隔离。（7）级联运用时，因为Ri2=100Ω，为防止后级输入过流，应采取保护措施。（8）在5脚上加接4.7μF电容接地，可适当提升高频分量，改善幅频特性。

由上可见，如果了解了AD603的有关性能，对完成本题任务中硬件系统的设计与制作，心中就大抵有了底。

典型设计方案示例

1.总体设计方案

根据带宽、增益调节范围(≥48dB)、输入阻抗、噪声等项要求，系统前端电压放大部分需设一级宽带跟随器和两级AD603程控增益放大器；根据输出电压幅度的要求，需再加一级大信号宽带电压放大器；根据增益控制调节、自动增益控制范围、测量并显示输出电压有效值等要求，需要设置单片机小系统和有关检测电路。于是系统总体设计方案可如图4所示。

各级增益的分配可由实验确定，末级增益在6~20dB之间（即2~10倍）即可满足题意要求。

有效值测量可有多种实现方案，但选用测量有效值的专用芯片AD637，则简洁方便，可满足本题要求（有关资料可自查）。

A/D与D/A的工作频率均不高，题目对测量精度的要求也不算高，因此，可选择8位的ADC0809和DAC0832。同时，单片机的任务并不算太多，亦可采用89C51类的普通芯片即可。

2.前端放大电路

根据上述AD603芯片的特点，可将前端放大器简要设计如图5所示。

前端跟随器选用OPA642，其截止频率达400MHz，跟随线性度好；输入电压允许值与AD603相同。这样，使系统输入阻抗远大于1kΩ的要求。

3.末级大信号放大电路

为保证高频端放大器的稳定性和带内幅度的平坦度，宜采用互补推挽和深度电压串联负反馈电路形式。典型电路如图6所示。

高频晶体管2N3904为NPN型，2N3906为PNP型，是配对的互补管，特征频率fT达200MHz，能保证系统性能要求。由于是深度电压串联负反馈，故输入阻抗较高，输出阻抗低，适合与前端放大器和负载连接。

由图可见，本级AVf≈1/kfV=1+(R10/R9)，如R9、R10为图中标注值，则AVf=11，约合20dB。

所有电容，均是为了电源去耦或改善频率特性的。

4.一组典型测试数据

表3为频率特性测试数据，表4为步进增益误差测试数据，表5为AGC控制测试数据。

5.安装调试注意事项

（1）设计的电路宜先作仿真，特别是频率特性与波形失真，要不出现明显误差；（2）电路板安装应尽量紧凑；（3）数字地与模拟地之间加接电感线圈，防止自激与干扰；（4）前端与末级放大器电路要分别加屏蔽盒，各接口以同轴电缆连接，同轴线外层和盒体应接地。

结束语

模拟电子线路的主要知识点有三点，即放大器、振荡器和调制/解调器，而后二者也多是以放大器为基础的，所以放大器实际上是模拟电子线路最重要最基本的知识点。而对放大器而言，最主要的反映当前新技术、新器件应用的就是运算放大器：高速宽带、增益可程控、低噪声、高输入阻抗、高共模抑制比。本次竞赛题“宽带放大器”，可以说正是切中了这一主要知识点的诸多主要方面；同时该题还需应用A/D、D/A、单片机等数字化技术与微机技术，较好地体现了当前“模拟的系统概念加数字化的处理技术”这一个电子技术发展的总趋势；另一方面，据统计，这次竞赛题中模拟分量占较大比重的A、B两题，在全国2980个参赛队中亦仅占6%，不到180个队，可见模拟电子技术的教和学（包括实践训练），都不同程度地存在偏离上述电子技术发展总趋势的现象，值得引起各方面注意。综上所述，“宽带放大器”题目反映了出题专家组的独具匠心；全国大学生电子设计竞赛在引导和促进电子信息类专业的深化教学改革上，确实已经发挥和必将继续发挥重要的作用。