2.5 放大器类赛题分析与设计方案实例
2.5.1 可控放大器（2007 年I题）
1.赛题要求[2]
设计并制作一个可控放大器，其组成框图如图2.5.1所示。放大器的增益可设置；低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器的通带、截止频率等参数可设置。
图2.5.1 可控放大器组成框图
（1）基本要求（50分）
① 放大器输入正弦信号电压振幅为10 mV，电压增益为40 dB，通频带为100 Hz～40 kHz，放大器输出电压无明显失真；
② 滤波器可设置为低通滤波器，其-3 dB截止频率fc在1～20 kHz范围内可调，调节的频率步进为1 kHz，2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30 dB，RL=1 kΩ；
③ 滤波器可设置为高通滤波器，其-3 dB截止频率fc在1～20 kHz范围内可调，调节的频率步进为1 kHz，0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30 dB，RL=1 kΩ；
④ 截止频率的误差不大于10%；
⑤ 有设置参数显示功能。
（2）发挥部分（50分）
① 放大器电压增益为60 dB，输入正弦信号电压振幅为10 mV，增益10 dB步进可调，通频带为100 Hz～100 kHz；（15 分）
② 制作一个带通滤波器，中心频率50 kHz，通频带10 kHz，在40 kHz和60 kHz频率处，要求放大器与带通滤波器的总电压增益不大于45 dB；（14分）
③ 上述带通滤波器中心频率可设置，设置范围40～60 kHz，步进为2 kHz；（10分）
④ 电压增益、截止频率误差均不大于5%；（6 分）
⑤ 其他。（5分）
（3）说明
① 正弦输入信号由信号源提供；
② 放大器输出端应留测试端子；
③ 设计报告正文应包括系统总体框图、核心电路原理图和主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果可用附件给出。
2.赛题分析与设计方案实例[3]
这个赛题与本科组2007年D题十分类似，设计方案分析可参考程控滤波器（2007年D题本科组）。
一个可控放大器的设计方案如图2.5.2所示，以单片机（如AT89 S52）为控制核心。
图2.5.2 可控放大器的设计方案
根据赛题要求，需要设计一种微弱信号放大器，该电路能够在较宽频带下将微弱信号10 mV稳定地放大1000 倍。放大电路可以采用低噪声的运算放大器（如NE5534）组成，主要采用同相输入比例运算与反相输入求和运算电路两种电路结构，以实现不同的电压放大倍数。利用单片机控制干簧继电器的通断或者数字电位器的电阻，改变反馈回路的电阻值实现电压增益可调。
根据赛题要求，需要设计低通、高通和带通三种形式的滤波器。常用的滤波器有巴特沃兹（Butterworth）型滤波器、切比雪夫（Chebyshev）型滤波器和贝塞尔（Bessel）型滤波器等形式。
巴特沃兹型滤波器在通带内具有接近理想滤波器的平坦特性，所以又称为最大平坦型滤波器。各种阶数的巴特沃兹滤波器均具有单调下降的幅频特性，阶数越高，下降越陡，下降斜率为20 ndB/10倍频，具有较好的冲激响应特性（n为滤波器阶数）。
切比雪夫型滤波器的阶数n越高，幅频特性下降得越陡，由于通带内有等纹波起伏，所以又称为等纹波型滤波器。它的通带特性不如最大平坦型的好，但是过渡带内幅频特性下降陡度比最大平坦型的陡得多，且通带内纹波幅度越大，其过渡带内幅频特性下降越陡。
贝塞尔型滤波器是线性相移型滤波器，具有最大平坦群时延，以及很好的阶跃响应特性。
赛题要求电压增益、截止频率误差均不大于5 %，截止频率fc步进可调，低通滤波器在2fc处，高通滤波器在0.5fc处，放大器与滤波器的总电压增益不大于30 dB，即题目要求滤波器通带内具有平坦的滤波器特性且过渡带较陡。
利用电路仿真工具（如NI multisim10 等）仿真后，可以确定低通滤波器采用有源4 阶切比雪夫型滤波器，高通滤波器采用有源4 阶贝塞尔型滤波器，带通滤波器采用有源4 阶巴特沃兹型滤波器。有源4 阶滤波器由两个二阶滤波器串联组成，运放可以采用TL084 等芯片，利用单片机控制数字电位器（如X9C104）调整输出电阻，可以实现滤波器截止频率步进可调。
2.5.2 程控滤波器（2007 年D题）
1.赛题要求[2]
设计并制作程控滤波器，其组成如图2.5.3所示。放大器增益可设置；低通或高通滤波器通带、截止频率等参数可设置。
图2.5.3 程控滤波器组成框图
（1）基本要求（50分）
① 放大器输入正弦信号电压振幅为10 mV，电压增益为40 dB，增益10 dB步进可调，通频带为100 Hz～40 kHz，放大器输出电压无明显失真；
② 滤波器可设置为低通滤波器，其-3 dB截止频率fc在1～20 kHz范围内可调，调节的频率步进为1 kHz，2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30 dB，RL=1 kΩ；
③ 滤波器可设置为高通滤波器，其-3 dB截止频率fc在1～20 kHz范围内可调，调节的频率步进为1 kHz，0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30 dB，RL=1 kΩ；
④ 电压增益与截止频率的误差均不大于10%；
⑤ 有设置参数显示功能。
（2）发挥部分（50分）
① 放大器电压增益为60 dB，输入信号电压振幅为10 mV；增益10 dB步进可调，电压增益误差不大于5%；（14 分）
② 制作一个四阶椭圆形低通滤波器，带内起伏≤1 dB，-3 dB通带为50 kHz，要求放大器与低通滤波器在200 kHz处的总电压增益小于5 dB，-3 dB通带误差不大于5%；（16 分）
③ 制作一个简易幅频特性测试仪，其扫频输出信号的频率变化范围是100 Hz～200 kHz，频率步进10 kHz；（15 分）
④ 其他。（5分）
（3）说明
设计报告正文应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图和主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果可用附件给出。
2.赛题分析与设计方案实例[3]
根据赛题要求分析，所设计制作的一个程控滤波器应包含有：可控增益放大器电路、滤波器电路、幅频特性测试电路，以及人机接口等部分。
（1）可控增益放大器实现方案
可控增益放大器可以采用增益可调的仪表放大器电路、采用数字电位器和运放组成放大电路、采用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器（PGA）等。
根据赛题要求，选择增益可调的单片仪表放大器（如AD620）可以实现增益在1～1000 倍之间可调。但受其单位增益带宽积的限制（如AD620 单位增益带宽积只有12 MHz），不能满足系统要求的放大器的通频带特性。
选择使用数字电位器和运放组成放大电路方案，可以通过控制数字电位器来改变放大器的反馈电阻实现可控增益。这种方案的电路较简单，但受数字电位器的精度限制，很难实现增益的精确控制；同时也受数字电位器带宽的限制，数字电位器的带宽会直接影响放大器的通频带特性。
采用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器是较好的选择，如选择集成AD603、AD605等可控增益放大器。可控增益放大器的内部由R-2 R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯形网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定的；利用单片机控制DAC芯片的输出电压作为这个参考电压，可以实现较精确的增益控制。DAC可以选择MAX542等芯片。AD603和AD605等可控增益放大器的输出电压幅度一般在1.5V左右，放大器需要末级放大电路，而末级放大电路可以采用MAX427等集成电路芯片或者分立元器件组成的放大电路。
设计方案可参考宽带放大器（2003年B题）。
（2）滤波器电路实现方案
根据赛题要求，需要设计制作一个截止频率可调的低通滤波器和一个截止频率可调的高通滤波器，以及一个四阶椭圆低通滤波器。
常用的滤波器的设计方案有无源LC滤波器、有源RC滤波器、开关电容滤波器和数字滤波器等。
采用电感和电容可以搭建各种类型的无源LC滤波器。参照滤波器设计手册上的相关参数，可以比较容易地设计出理想的滤波器。但要实现截止频率可调，只有改变电感和电容参数，控制电路将是非常复杂的。
采用运算放大器和电阻、电容等分立元件可以构造有源RC低通滤波器和有源RC高通滤波器，利用继电器或模拟开关来切换不同的电阻值和电容值，可以改变滤波器的截止频率。但为了达到赛题的基本要求，必须多个参数进行切换，控制电路也将是非常复杂的。
数字滤波器具有精度高、截止特性好等优点，采用数字滤波器是一个好的选择。数字滤波器可以利用MATLAB的数字滤波器设计软件设计FIR或者IIR滤波器，然后在FPGA中用Verilog HDL或者VHDL语言来实现。但是FIR或IIR滤波器需要较多的FPGA资源，而且要使截止频率可调，必须使用不同的参数，编程的工作量比较大。对参赛的学生而言不是最好的选择。
采用开关电容滤波器。开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器构成的一种大规模集成电路滤波器。其等效电阻R与开关电容和时钟频率有关，即
R=1/2πCf c
式中，C为开关电容组的电容，fc为滤波器的时钟频率。
当改变滤波器的时钟频率fc时，可以改变等效电阻R，从而可以改变滤波器的时间常数。采用开关电容滤波器的方案电路结构简单，操作容易。
目前，市场上有集成的开关电容滤波器芯片可以选用，例如MAX263、MAX297和LTC1068等，使用这些集成电路芯片，可以满足设计要求，并可以大大节约设计制作时间。
例如，可以利用开关电容滤波器芯片MAX297实现低通滤波器，利用开关电容滤波器芯片MAX263实现高通滤波器。
例如，可以利用LTC1068 完成低通滤波器和高通滤波器，以及一个四阶椭圆低通滤波器设计。LTC1068 包含有四个通用二阶模块，有四种不同的工作模式，在确定外部元件参数（电阻）后，可以使用时钟来调节截止频率。低通滤波器可以采用LTC1068 两级滤波器模块构成的四阶巴特沃兹低通滤波器，第一级滤波器的Q=1.3066，第二级滤波器的Q=0.5412，f0=20 kHz。高通滤波器可以采用LTC1068 两级滤波器模块构成的四阶巴特沃兹高通滤波器，第一级滤波器的Q=0.5412，第二级滤波器的Q=1.3066，f0=20 kHz。椭圆滤波器可以采用LTC1068 两级滤波器模块构成的四阶椭圆函数低通滤波器，第一级滤波器的参数：Q=3.1267，f0=51.5578 kHz，fn=161.6740 kHz；第二级滤波器的参数 Q=0.7126，f0 =30.7356 kHz，fn=382.3317 kHz。具体电路请参考5.2.5 节。
（3）幅频特性测试仪设计方案
幅频特性测试仪实际上就是一个频谱分析仪，设计方案参考简易频谱分析仪（2005 年C题），一个典型的设计方案如图2.5.4所示，利用单片机或者FPGA控制DDS芯片构成扫频源，以一定步进产生扫频信号，同时测量并记下其通过被测网络后的有效值，根据各个频点通过网络后的有效值，可在液晶显示器上画出其幅频特性图。DDS扫频源可以采用专用的DDS芯片实现，如AD9850 等。有效值的测量可以采用AD637 等专用的有效值测量芯片完成。
图2.5.4 幅频特性测试仪的典型方案
2.5.3 宽带放大器（2003 年B题）
1.赛题要求[2]
设计并制作一个宽带放大器。
（1）基本要求（50分）
① 输入阻抗≥1 kΩ；单端输入，单端输出；放大器负载电阻600 Ω；
②3 dB通频带10 kHz～6 MHz，在20 kHz～5 MHz频带内增益起伏≤1 dB；
③ 最大增益≥40 dB，增益调节范围10～40 dB（增益值6 级可调，步进间隔6 dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2 dB），需显示预置增益值；
④ 最大输出电压有效值≥3V，数字显示输出正弦电压有效值；
⑤ 自制放大器所需的稳压电源。
（2）发挥部分（50分）
① 最大输出电压有效值≥6 V；（10分）
② 最大增益≥58 dB（3 dB通频带10 kHz～6 MHz，在20 kHz～5 MHz频带内增益起伏≤1 dB），增益调节范围10～58 dB（增益值9 级可调，步进间隔6 dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2 dB），需显示预置增益值；（12 分）
③ 增加自动增益控制（AGC）功能，AGC范围≥20 dB，在AGC稳定范围内输出电压有效值应稳定在4.5 V≤Vo≤5.5 V内（详见说明④）；（7 分）
④ 输出噪声电压峰-峰值VoN≤0.5 V；（2分）
⑤ 进一步扩展通频带、提高增益、提高输出电压幅度、扩大AGC范围、减小增益调节步进间隔；（16分）
⑥ 其他。（3分）
（3）说明
① 基本要求部分第③项和发挥部分第②项的增益步进级数如对照表2.5.1所示。
表2.5.1 增益步进级数对照表
② 发挥部分第④项的测试条件为：输入交流短路，增益为58 dB。
③ 宽带放大器幅频特性测试框图如图2.5.5所示。
图2.5.5 宽带放大器幅频特性测试框图
④ AGC电路常用在接收机的中频或视频放大器中，其作用是当输入信号较强时，使放大器增益自动降低；当信号较弱时，又使其增益自动增高，从而保证在AGC作用范围内输出电压的均匀性，故AGC电路实质是一个负反馈电路。
⑤ 发挥部分第④项中涉及的AGC功能的放大器的折线化传输特性示意图如图2.5.6所示。本题定义：AGC范围=20log[Vs2/Vs1-20log（VoH/VoL）]dB。要求输出电压有效值稳定在4.5 V≤Vo≤5.5 V范围内，即VoL≥4.5 V，VoH≤5.5 V。
图2.5.6 放大器AGC功能的折线化传输特性示意图
2.赛题分析与设计方案实例[5,9]
一个参考的宽带放大器设计方案如图2.5.7所示。输入级采用OPA642 宽带低噪声电压反馈型运算放大器，以提高输入阻抗；在输入端增加输入缓冲电路起保护作用；宽带可变增益放大器采用AD603。输入级和可控增益放大器电路使用屏蔽盒封闭。利用单片机系统完成AGC控制，通过软件补偿减小增益调节的步进间隔和提高准确度。功率输出部分采用分立元件制作。
图2.5.7 宽带放大器的组成方框图
（1）输入电路
设计要求输入电阻大于1 kΩ，由于AD603 的输入电阻只有100 Ω，故输入极采用宽带低噪声电压反馈型运放OPA642，其输入阻抗大于1 kΩ，单位增益带宽为400 MHz。输入信号先采用电阻分压衰减，再经OPA642 放大，放大倍数3.4。同时，在输入端加上二极管过压保护电路，可保护输入到OPA642 的电压峰-峰值不超过其极限值（2 V）。
（2）可控增益宽带放大器
可控增益宽带放大器由芯片AD603 构成。AD603 为单通道、低噪声、增益变化范围线性连续可调的可控增益放大器（PGA）。在带宽90 MHz时，其增益变化范围为-10～+30 dB；带宽30 MHz时，其增益变化范围为0～+40 dB；带宽为9 MHz时范围为10～50 dB。
由于两级放大电路幅频响应曲线相同，当两级AD603 串联后，带宽会有所下降，串联前各级带宽为90 MHz左右，两级放大电路串联后总的3 dB带宽对应着单级放大电路1.5 dB带宽，根据幅频响应曲线可得出级联后的总带宽为60 MHz。
输入/输出端口P1、P2由同轴电缆连接，级间耦合采用电解电容和高频瓷片电容并联，输入级和可控增益放大器电路装在屏蔽盒中，盒内采用多点接地和就近接地的方法避免自激，部分电容电阻采用贴片封装形式，各部分连线尽可能短。
（3）手动增益预置和控制电路
利用单片机和12 位串行双D/A芯片TLV5618 完成手动增益预置和控制，D/A转换产生的控制输出电压分别加到两块AD603 的引脚端1。AD603 构成的自动增益控制放大器电路所需的控制电压为-0.5～+0.5V之间。
（4）功率放大电路
考虑到放大器通频带从10 kHz～6 MHz，负载电阻为600 Ω时，输出有效值大于6 V，而AD603 输出最大有效值在2 V左右，参考音频放大器中驱动级电路形式，选用两级三极管直流耦合电路和发射极直流负反馈电路组成末级功率放大电路。第一级进行电压放大，完成整个后级放大电路的电压增益，第二级将第一级输出的双端信号变成单端输出信号，同时提高带负载的能力。晶体管选用2N3904 和2N3906 三极管（特征频率fT=250～300 MHz）可达到25 MHz的带宽。整个功率放大电路电压放大约10 倍。
（5）有效值测量电路
有效值测量电路采用集成真有效值变换芯片AD637，直接输出被测信号的真有效值。AD637 可测量的信号有效值可高达7 V，精度优于0.5%，且外围元件少，频带宽，对于一个有效值为2 V的信号，它的3 dB带宽为8 MHz，并且可以对输入信号的电平以dB形式指示。
（6）单片机电路
单片机采用AT89S52最小系统，采用两片12位串行A/D芯片AD7816和AD7841，用于同时测量真有效值和峰值。12位串行双D/A芯片TLV5618用来产生AGC控制电压。基准电源采用带隙基准电压源MC1403。
（7）稳压电源电路
稳压电源电路采用3 端稳压器芯片7805、7905、7815 和7915 组成，输出±5 V，±15 V电压。数字电源部分和模拟电源部分通过电感隔离。