根据设计要求，在较宽的信号带宽(0～10MHz)内，实现最大电压增益≥60dB，且能够连续调节增益或能够以5dB步距预置增益是最大难点，也是设计的重点之一。另一难点是后级功率放大模块在100Q负载上最大输出电压正弦波有效值Vo≥10V。由于带宽低端为0Hz即直流信号，放大电路的零点漂移也是一个很难解决的问题。此外，在整个放大器的设计中，还需要考虑其成本。

1.数据处理和控制核心选择

方案一：采用AT89S52+FPGA来实现信号增益控制、数据处理和人机界面控制等功能。由于本系统不涉及大量的数据存储和复杂处理，FPGA的资源得不到充分利用，成本较高。

方案二：采用单片机实现整个系统的统一控制和数据处理。而单片机MSP430F449是一种16位超低功耗微处理器，具有丰富的片上外设和较强的运算能力，支持在线编程，使用十分方便，性价比高。故采用方案二。

2.信号增益控制及功率放大方案设计

方案一：采用三极管构成多级放大电路实现≥60dB的增益，并使用分立元件自行搭建后级功放。本方案成本低，但晶体管配对困难，电路设计复杂，增益的步进调节难以实现，工作点调试繁琐，且电路稳定性差，容易产生自激现象。

方案二：采用集成芯片，如采用低噪声、精密控制的可变增益放大器AD603作增益控制核心器件，采用高电压输出的宽带运放完成功率输出。

AD3603温度稳定性高，其增益(dB)与控制电压(V)成线性关系，使用D/A输出控制电压能实现精确数控。但成本较高。电路集成度高、设计简洁，设计周期短。

综上所述，采用方案二。

二、总体方案设计及系统方框图

系统总体框图如下图所示。

总体方案描述：本系统输入信号经过前级放大电路、后级程控放大和末级功率放大，实现了90dB的最大电压增益。后级功率放大器使用高电压输出的宽带运放，提高了输出电压有效值。采用单片机MSP430F449作为数据处理和控制核心。通过D/A转换器调整AD603的控制电压，程序控制调节增益，通过继电器切换后级程控放大电路通道，实现了放大器增益×1，×10，×100……的控制功能。

通过继电器切换两路椭圆滤波器实现了通频带选择。手动调节连续可调电位器，连续改变AD603的控制电压，实现了增益连续调节功能。

零点漂移问题。放大器零漂、失调主要由AD603输入端产生，每当调节AD603不同的增益时，输出的直流偏离电压也不同。本系统在每次测试前先将AD603输入短路，用MSP430F449内部ADC对调零放大器输出电压采样，利用单片机和数字算法控制D/A转换器输出对应的调节电压，控制调零放大器输出为零。这样既抑制了直流零点漂移，又实现了自动调零校准功能。

MSP430F449

具有 60kB 闪存、2048B RAM、12 位 ADC、2 个 USART、HW 乘法器和 160 段 LCD 的 16 位超低功耗微处理器

MSP430F449描述

The Texas Instruments MSP430 family of ultralow power microcontrollers consists of several devices featuring different sets of peripherals targeted for various applications. The architecture, combined with five low-power modes, is optimized to achieve extended battery life in portable measurement applications. The devices feature a powerful 16-bit RISC CPU, 16-bit registers, and constant generators that contribute to maximum code efficiency. The digitally controlled oscillator (DCO) allows wake-up from low-power modes to active mode in less than6 µs.

The MSP430x43x(1) and the MSP430x44x(1) series are microcontroller configurations with two built-in 16-bit timers, a fast 12-bit A/D converter (not implemented on the MSP430F43x1 and MSP430F44x1 devices), one or two universal serial synchronous/asynchronous communication interfaces (USART), 48 I/O pins, and a liquid crystal driver (LCD) with up to 160 segments.

Typical applications include sensor systems that capture analog signals, convert them to digital values, and process and transmit the data to a host system, or process this data and display it on a LCD panel. The timers make the configurations ideal for industrial control applications such as ripple counters, digital motor control, EE-meters, hand-held meters, etc. The hardware multiplier enhances the performance and offers a broad code and hardware-compatible family solution.

MSP430F449特性

Low Supply-Voltage Range, 1.8 V to 3.6 V

Ultralow-Power Consumption:

Active Mode: 280 µA at 1 MHz, 2.2 V

Standby Mode: 1.1 µA

Off Mode (RAM Retention): 0.1 µA

Five Power Saving Modes

Wake-Up From Standby Mode in Less Than 6 µs

16-Bit RISC Architecture, 125-ns Instruction Cycle Time

12-Bit A/D Converter With Internal Reference, Sample-and-Hold and

Autoscan Feature

16-Bit Timer_B With Three(1) or Seven(2) Capture/Compare-With-Shadow Registers

16-Bit Timer_A With Three Capture/Compare Registers

On-Chip Comparator

Serial Communication Interface (USART), Select Asynchronous UART or

Synchronous SPI by Software:

Two USARTs (USART0, USART1)(1)

One USART (USART0)(2)

Brownout Detector

Supply Voltage Supervisor/Monitor With Programmable Level Detection

Serial Onboard Programming, No External Programming Voltage Needed

Programmable Code Protection by Security Fuse

Integrated LCD Driver for up to 160 Segments

Bootstrap Loader

Family Members Include:

MSP430F435, MSP430F4351(3):

16KB+256B Flash Memory

512B RAM

MSP430F436, MSP430F4361(3):

24KB+256B Flash Memory

1KB RAM

MSP430F437, MSP430F4371(3):

32KB+256B Flash Memory

1KB RAM

MSP430F447:

32KB+256B Flash Memory

1KB RAM

MSP430F448, MSP430F4481(3):

48KB+256B Flash Memory

2KB RAM

MSP430F449, MSP430F4491(3):

60KB+256B Flash Memory

2KB RAM

For Complete Module Descriptions, See The MSP430x4xx Family User’s Guide, Literature Number SLAU056

(1) MSP430F43x, and MSP430F43x1 devices

(2) MSP430F44x, and MSP430F44x1 devices

(3) The MSP430F43x1 and MSP430F44x1 devices are identical to the MSP430F43x and MSP430F44x devices, respectively – with the exception that the ADC12 module is not implemented.

MSP430F449参数

Non-volatile Memory (KB)：60

RAM (KB)：2

ADC：ADC12 - 8ch

GPIO Pins (#)：48

I2C：0

SPI：2

UART：2

Comparators (#)：Yes

Package Group：LQFP

Timers - 16-bit：2

Bootloader (BSL)：UART

Special I/O：N/A

Operating Temperature Range (C)：-40 to 85

Package Size: mm2:W x L (PKG)：100LQFP: 256 mm2: 16 x 16(LQFP)

Features：LCD;Watchdog;Temp Sensor;Brown Out Reset

直流放大器介绍

能放大直流信号的放大器叫直流放大器。直流放大器的类型很多。直接耦合的单管放大器是最简单的一种。利用成对晶体管或场效应晶体管构成的差分放大器是一种零点漂移较小的直流放大器，常用于集成运算放大器的输入级和中间级。在测量仪器中还常用斩波式直流放大器。

直流放大器常用于测量仪表。在高精度电位测量和生物电与物理电测量中(见生物医学核电子仪器)，电信号往往很弱，而且变化缓慢，含有直流成分，经放大后才便于检测、记录和处理。此外，在许多情况下，被测信号源的内阻高，要求放大器具有高增益和高输入阻抗。具有这种特性的直流放大器也适合用作运算放大器。

直接耦合的晶体管或电子管放大器都可作为直流放大器。这类放大器也靠直流电源供电。当无信号输入时，理想的直流放大器的输出电位应该是零、或者是一个称之为放大器直流零点的参考电位。但是实际上，由于电源电压的波动和诸如温度等环境因素的改变，以及电子元件、器件的老化，这个参考电位会随放大器特性参数的改变而发生变化。这样，放大器的输出中就不可避免地含有一个称为零点漂移的不固定误差。在多级放大器直接耦合的情况下，前级的零点漂移会被后面各级渐次放大，结果便会与被放大的有用信号相混淆，影响放大器的性能。最大限度地克服零点漂移，是直流放大器设计中的一个重要目标。

直流放大器的类型很多。直接耦合的单管放大器是最简单的一种。这种放大器的缺点是零点漂移大。

双通道斩波式直流放大器的原理图。它由斩波通道、高频通道和主放大器三部分组成。被测信号中的直流分量(包括缓变分量)和高频分量，分别经斩波通道和高频通道处理后由主放大器相加。经过斩波通道的信号在被放大之前，先被“斩切”成方波，经交流放大以后再由解调器恢复为直流。交流放大器和低通滤波器不会产生零点漂移，只要斩波器的“通”、“断”不引入残存电压和漏电流，整个放大器基本上不会产生零点漂移。高频通道使信号频率较高的分量直接经主放大器输出，能起补偿和加宽频带的作用。斩波器的好坏对直流放大器的性能影响很大。早期的机械振子斩波器具有理想的开关特性，但工作频率只有几百赫，而且寿命短。现代的以场效应晶体管为主构成的斩波器具有良好的性能，得到了广泛的应用。

斩波式直流放大器作为运算放大器，曾在模拟计算机中发挥过重要作用，后来主要用于高精度的测试系统。集成式运算放大器可以直接用于线性直流放大，使用比较广泛。

单端式

单端式直流放大器需要解决级间直流电平配置问题，利用电阻Re2拉低BG2的射极电位以满足直流电平配置要求(即令Ube2=Uc1-Ue2).利用D1及D2作电平配置。使BG2、BG3的偏听偏信置电压分别为Ube2=0.3伏、Ube3=0.45伏。D3起保护作用，避免使BG1基极受到过大的反压，如果前级输出电压主和后级输入电压相差较大，可以利用硅稳压管的稳定电压来代替硅二极管的作用。下图C的电路是利用较大的Rc1、Rc2来提高集电极电压，以实现前后级直流电平的配置。下图D的电路是利用PNP(BG1和BG3)与NPN(BG2)的极性相反来进行电平配置于，BG1的输出电流是BG2的输入电流，BG2的输出电流是BG2的输出电流是BG3输入电流，较好地实现了级间耦合，上述四种电路的最大缺点是零点漂移大。

差动式

它是由BG1、BG2一对特性相同的晶体管组成，而且电路元件也都是对称的。输入信号人别为Ui1、Ui2;单端输出信号分别是Uc1、Uc2;双端输出为UC1与UC2之差，即UO=Uc1-Uc2差动电路具有下列特点：

具有抑制零点漂移能力

差动电路由于管特性相同和电路元件对称，所以当温度升高时，两管的集电极电流将得到同样的增量，即△IC1=△IC2而双端输出为UO=△IC1RC-△IC2RC=0，所以输出没有零点漂移。

共模输入时具有抑制放大能力

通常把幅度相等，相位相同的一对输入信号，称为共模信号，由下列电路图A可见，当Ui1=Ui2时，在对称条件下，则双端输出Uo=KUil-KUi2=0,

差模输入时具有放大能力

通常把幅度相等，相位相反的一对输入信号，称为差模信号。当Ui1=-Ui2差模输入时，两面三刀管集电极输出分别为Uc1=-KUi1、Uc2=-KUi2;所以，差模放大倍数Kud:Kud=(Uc1-Uc2)/(Ui1-Ui2)=(-Ui1K-Ui1K)/2Ui1=-K=(-)(hfeRc)/(Rs+hie)

由于差动电路的双端输入电压、双端输出电压均比单管共射放大电路多了一倍，所以差模放大倍数Kud与单管共射电路的放大倍数相同

为提高抑制零漂能力，应使共模放大倍数越小越好，差模放大倍数越大越好，因而利用共模抑制比CMRR*=Kud/Kuc作为评价差动放大电路性能好坏的重要指标。

具有稳定静态工作点的能力

射极度电阻Re对共模信号及温漂电平均有很强的负反馈作用。例如在温度升高时，IC1、IC2都同时增加，并产生下列负反馈过程：

结果使IC1、IC2的实际变化相对地减小，这里Re起着恒流作用，从而稳定静态工作点，显然Re越大，恒流作用也越大，抑制零漂的能力也就越强，引入辅助电，以抵消Re的压隆。使射极度对地电位能维持正常的数值。值得注意的是，对差模信号，Re不起负反馈作用，因此，它不会降低差模信号的放大倍数。

低噪声超宽带

低噪声宽带直流放大器在中频和视频放大器中均具有广泛的应用，这类电路主要用于对视频信号、脉冲信号或射频信号的放大，放大信号带宽可从直流到几兆赫兹甚至到几十兆赫兹，在信号处理中具有广泛应用。尤其是近年来超宽带(Ultra-Wideband,UWB )技术在隐蔽通信和目标探测领域的迅猛发展使得UWB信号对带宽要求也进一步提高，所以接收机前端所需的信号预处理电路必须是低噪声超宽带放大器。

超宽带直流放大器的性能直接影响信号检测和处理的精度，而低噪声、低零点漂移、超宽带设计一直是该类放大器关注的重点，具有重要的工程意义和实用价值。Bevilacqua等和VaSIC等设计了一种能够实现超宽带放大和具有低噪声特性的放大器，但是没有解决零点漂移和高噪声系数的问题。

本文设计并实现了一款由低噪声放大器、高性能滤波网络、程控零漂校正电路、单片机控制系统和精密电源构成的低噪声超宽带直流放大器，较好地解决了放大器的超宽带与低噪声、高阻带衰减与低通带起伏矛盾和高增益精密控制、直流零漂补偿校正等问题，具有推广应用价值。

低噪声超宽带方案

低噪声超宽带直流放大器系统方案：整个放大器系统由主放大器、滤波网络、零漂校正电路、控制系统和高性能供电电源五部分组成。其中主放大器由低噪声精密前级放大、增益控制、中间级放大和末级推挽输出的功率驱动电路构成。低噪声精密前级放大采用超低噪声集成运放芯片，实现了整机低噪声特性;单片机控制压控增益放大器实现了增益调节;由低噪声、高速集成运放构成的中间级放大提高了整机增益;末级功率驱动则采用双运放构成推挽输出，提高了整机负载能力。高性能滤波器采用无源滤波器方案构成双通道八阶巴特沃斯LC低通滤波器，波段可程控切换。零点漂移校正通常有模拟校正和数字校正两种方案，本机采用数字校正方案对整机电路零点漂移进行校正，提高了校正精度。控制系统则以单片机AT89C52为中心，实现整机增益程序控制及零点漂移数字控制。供电系统采用混合稳压，经过退藕滤波、二级稳压和精密稳压后，为整机提供精密低噪声的直流工作电源。

增益程序控制

增益控制是放大电路的增益随外部控制信号的变化而改变的控制方法。本设计采用增益程序控制，通过外部键盘操作设置增益的加减，简单且易于实现。选用电压增益控制放大器VCA810，通过单片机控制数字电位器X9C103调整端输出电压来改变VCA810增益控制引脚电压在0一2V之间变化，从而实现整机增益0-80 dB范围内1 dB步进可调。

直流零点漂移校正

直流零点漂移是指直流放大器工作点的不规则渐进缓慢变化。增益越大，放大级数越多，输出端的零漂现象越严重，严重时甚至使运放饱和而无法正常工作。因此，为保证直流放大器稳定工作必须设计直流零点漂移校正电路。本设计通过AJD采样，将检波到的末级直流零漂送往单片机，选择合适基准电压，利用单片机控制数字电位器X9C102在调零端加入补偿校正电压，从而实现直流零点漂移的自动调零。

高性能网络滤波

滤波器在系统中主要起降低噪声、滤除带外干扰、提高系统稳定性的作用。在本设计中两个低通滤波器的通频带分别为。-5 MHz和-10 MHz，并且要求通带内起伏<1 dB，阻带衰减40 dB/2fc，因此必须采用精密电感电容来实现高阶无源LC低通滤波器。因为LC滤波器计算复杂，参数难于设定，所以利用Filter Solutions软件进行了计算机辅助设计。