2003年全國大學(xué)生電子設計競賽B題，即寬帶放大器，湖北賽區參賽隊只有13隊應試，占本賽區參賽隊總數的5.7%；但全國唯一的索尼杯獎卻由該題參賽隊獲得。本文試圖從對題意的領(lǐng)會(huì )、典型高速寬帶運放AD603性能介紹及典型設計方案示例三個(gè)方面作粗淺釋析，意在交流、切磋并望賜教。
對題意的領(lǐng)會(huì )
對于題目基本部分和發(fā)揮部分的要求，最好將其分類(lèi)、歸納，與教學(xué)訓練內容結合起來(lái)，以便把握操作?，F將寬帶放大器需要滿(mǎn)足的技術(shù)指標整理如下：
1.帶寬3dB通頻帶為10kHz～6MHz，可以擴展。
2.增益 （1）最小值為10dB，基本指標為40dB，最大值≥60dB。（2）可步進(jìn)調節，在10～58dB范圍內，步進(jìn)間隔為6dB；要求更高時(shí)，步進(jìn)間隔為2dB。（3）可預置增益值，并顯示。（4）預置增益值與實(shí)測增益值的誤差要求：在步進(jìn)間隔為6dB時(shí)，誤差小于2dB；在步進(jìn)間隔為2dB時(shí)誤差小于1dB。（5）帶內增益平坦度要求：在增益為40dB時(shí)，在20kHz～5MHz范圍內，增益起伏小于1dB。（6）自動(dòng)增益控制要求：在4.5V≤V0≤5.5V范圍內，AGC范圍≥20dB，即輸入信號的ViH/ViL大于12.2倍。
3.最大輸入電壓幅度（有效值） （1）基本要求≥3V；（2）擴展要求≥6.5V；（3）數字顯示正弦電壓有效值。
4.噪聲性能在A(yíng)V=58dB時(shí)，輸出噪聲峰－峰值不大于0.5V。
5.輸入阻抗≥1kΩ；負載電阻為600Ω；單端輸入、單端輸出。
6.進(jìn)一步提高各項技術(shù)指標，擴展功能。
對題意要求作了如上整理后，在作總體方案設計時(shí)，至少有三點(diǎn)思路易于明確：
（1）器件選擇必須選擇寬帶、低噪、增益可程控放大的器件，且這類(lèi)器件必須從新型的高速寬帶運算放大器中去尋找；分立元件很難奏效。
（2）硬件系統；根據最大輸出電壓幅度和最大增益要求，系統可分為3級、2級或1級（滿(mǎn)足基本要求）來(lái)實(shí)現，每級的增益分配都不會(huì )太大，易于實(shí)現。
（3）增益指標這一項，內容較復雜，但主要都是依靠編程技術(shù)來(lái)完成。對多數參賽學(xué)員來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題現在已不算太困難。因此，在完成本題任務(wù)時(shí)，對題意的分析、整理，顯得非常重要。
AD603運放性能介紹
由上可見(jiàn)，完成本題的關(guān)鍵在于選擇好寬帶、低噪、增益可控制的放大器件。從本次競賽作品的測評中看，有的作品正是這樣做了，如選擇AD603、UA733等，因而取得的成績(jì)較好。這里側重介紹一下高速寬帶運放AD603的有關(guān)技術(shù)性能。
1.AD603的特性
圖1為AD603的引腳圖，表1為其引腳功能，圖2為AD603原理框圖，圖3為其最大增益與Rx之間的關(guān)系。這些圖表對了解AD603的電氣性能非常有用。
2.電氣性能
（1）增益特性
①固定增益上限Av(0) ：與5、7腳之間的外接電阻Rx有關(guān)，Rx=0（5、7腳短接），Av(0)max=30dB。Rx=6.44kΩ，Av(0)max=50dB。所以，固定增益的上限為（30～50）dB。
②增益衰減范圍：由內部R-2R精密梯形網(wǎng)絡(luò )實(shí)現，R=100Ω，每節衰減6dB，共有7節，總的衰減能力約40dB?？梢?jiàn)運放的增益在其上限之下，有40dB的可調范圍。
③增益控制調節方法：1、2腳都是其控制電壓Vg的接入端，由Vg控制內部衰減網(wǎng)絡(luò )的無(wú)級變化，從而實(shí)現40dB范圍內任一步進(jìn)間隔的增益調節；Vg是1、2腳之間的電位差，范圍是[-0.5V,0.5V]，超出該范圍時(shí)，Vg的作用與區間端電壓相同；在Vg控制下，放大器的對數增益（以分貝表示）與Vg成線(xiàn)性關(guān)系（Vg的單位為V）：Av(Vg)=40Vg+(Gmax-20)(dB)。
例如：當Rx=0，Gmax=30dB,Vg∈[-0.5V，0.5V]時(shí),AV(Vg)范圍為:-10~30dB。當調節范圍超過(guò)40dB時(shí),需用級聯(lián)方式解決。
另外，控制端1、2腳之間輸入電阻達50MΩ，對Vg接入電路不會(huì )產(chǎn)生影響；在內部，1、2腳與信號輸入端3、4腳之間無(wú)電的聯(lián)系。因此，Vg調節增益是獨立進(jìn)行的。
（2）帶寬 當Gmax=30dB時(shí)，BW0.7=90MHz；當Gmax=50dB時(shí)，BW0.7=9MHz，即單位增益帶寬接近3GHz；帶內增益起伏小于0.5dB；大信號電壓轉換速率：275V/μs。
（3）低噪聲性能 1.3nV/Hz。故即使在100MHz頻帶里，噪聲峰-峰值也僅0.13V左右。
（4）輸入電阻 100Ω。這是由其R-2R網(wǎng)絡(luò )決定的。因此為提高輸入阻抗，可采用寬帶運放跟隨器作輸入級。
（5）極限參數及應用范圍 表2為AD603極限參數及應用范圍。
3. 使用注意事項
（1） 輸入信號必須直接接在3、4腳上，否則影響精度。（2） 參考電壓必須非常穩定。（3） 信號輸入端宜加保護電路，以防過(guò)壓輸入。（4） 容易自激。電源和地之間加去耦電容，各級電源之間加電感線(xiàn)圈隔離。（5） 對容性負載敏感，易造成自激，當用同軸電纜連接輸出時(shí)，宜加緩沖器隔離。（6） 前后級易產(chǎn)生電磁耦合，必要時(shí)需用銅屏蔽盒隔離。（7）級聯(lián)運用時(shí)，因為Ri2=100Ω，為防止后級輸入過(guò)流，應采取保護措施。（8）在5腳上加接4.7μF電容接地，可適當提升高頻分量，改善幅頻特性。
由上可見(jiàn)，如果了解了AD603的有關(guān)性能，對完成本題任務(wù)中硬件系統的設計與制作，心中就大抵有了底。
典型設計方案示例
1.總體設計方案
根據帶寬、增益調節范圍(≥48dB)、輸入阻抗、噪聲等項要求，系統前端電壓放大部分需設一級寬帶跟隨器和兩級AD603程控增益放大器；根據輸出電壓幅度的要求，需再加一級大信號寬帶電壓放大器；根據增益控制調節、自動(dòng)增益控制范圍、測量并顯示輸出電壓有效值等要求，需要設置單片機小系統和有關(guān)檢測電路。于是系統總體設計方案可如圖4所示。
各級增益的分配可由實(shí)驗確定，末級增益在6~20dB之間（即2~10倍）即可滿(mǎn)足題意要求。
有效值測量可有多種實(shí)現方案，但選用測量有效值的專(zhuān)用芯片AD637，則簡(jiǎn)潔方便，可滿(mǎn)足本題要求（有關(guān)資料可自查）。
A/D與D/A的工作頻率均不高，題目對測量精度的要求也不算高，因此，可選擇8位的ADC0809和DAC0832。同時(shí)，單片機的任務(wù)并不算太多，亦可采用89C51類(lèi)的普通芯片即可。
2.前端放大電路
根據上述AD603芯片的特點(diǎn)，可將前端放大器簡(jiǎn)要設計如圖5所示。
前端跟隨器選用OPA642，其截止頻率達400MHz，跟隨線(xiàn)性度好；輸入電壓允許值與AD603相同。這樣，使系統輸入阻抗遠大于1kΩ的要求。
3.末級大信號放大電路
為保證高頻端放大器的穩定性和帶內幅度的平坦度，宜采用互補推挽和深度電壓串聯(lián)負反饋電路形式。典型電路如圖6所示。
高頻晶體管2N3904為NPN型，2N3906為PNP型，是配對的互補管，特征頻率fT達200MHz，能保證系統性能要求。由于是深度電壓串聯(lián)負反饋，故輸入阻抗較高，輸出阻抗低，適合與前端放大器和負載連接。
由圖可見(jiàn)，本級AVf≈1/kfV=1+(R10/R9)，如R9、R10為圖中標注值，則AVf=11，約合20dB。
所有電容，均是為了電源去耦或改善頻率特性的。
4.一組典型測試數據
表3為頻率特性測試數據，表4為步進(jìn)增益誤差測試數據，表5為AGC控制測試數據。
5.安裝調試注意事項
（1）設計的電路宜先作仿真，特別是頻率特性與波形失真，要不出現明顯誤差；（2）電路板安裝應盡量緊湊；（3）數字地與模擬地之間加接電感線(xiàn)圈，防止自激與干擾；（4）前端與末級放大器電路要分別加屏蔽盒，各接口以同軸電纜連接，同軸線(xiàn)外層和盒體應接地。
結束語(yǔ)
模擬電子線(xiàn)路的主要知識點(diǎn)有三點(diǎn)，即放大器、振蕩器和調制/解調器，而后二者也多是以放大器為基礎的，所以放大器實(shí)際上是模擬電子線(xiàn)路最重要最基本的知識點(diǎn)。而對放大器而言，最主要的反映當前新技術(shù)、新器件應用的就是運算放大器：高速寬帶、增益可程控、低噪聲、高輸入阻抗、高共模抑制比。本次競賽題“寬帶放大器”，可以說(shuō)正是切中了這一主要知識點(diǎn)的諸多主要方面；同時(shí)該題還需應用A/D、D/A、單片機等數字化技術(shù)與微機技術(shù)，較好地體現了當前“模擬的系統概念加數字化的處理技術(shù)”這一個(gè)電子技術(shù)發(fā)展的總趨勢；另一方面，據統計，這次競賽題中模擬分量占較大比重的A、B兩題，在全國2980個(gè)參賽隊中亦僅占6%，不到180個(gè)隊，可見(jiàn)模擬電子技術(shù)的教和學(xué)（包括實(shí)踐訓練），都不同程度地存在偏離上述電子技術(shù)發(fā)展總趨勢的現象，值得引起各方面注意。綜上所述，“寬帶放大器”題目反映了出題專(zhuān)家組的獨具匠心；全國大學(xué)生電子設計競賽在引導和促進(jìn)電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的深化教學(xué)改革上，確實(shí)已經(jīng)發(fā)揮和必將繼續發(fā)揮重要的作用。
