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：采用单片机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MSP430F449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。
三、主要单元电路介绍
1、AD603构成的前级放大电路
如下图所示，信号经SMA接头输入放大器。
由于AD603的输入阻抗为100Q，故在输入端接100Q的电阻R1到地，使放大器输入阻抗为50Q。
电路增益由1、2脚间电压差VG控制，2脚接固定参考电压，1脚电压由D/A转换器控制，(或由单刀双掷开关转手动调节连续调节)。AD603的增益为G(dB)=40×VG+GO，AD603的5、7脚间接3k的反馈电阻Rf，使G0=2158dB，改变1脚电压使增益调节在1.58～4158dB范围内。
2、调零放大器电路
该部分为电压反馈型运放OPA690构成的一个加法电路，如下图所示。OPA690具有1800V/μs摆率，单位增益带宽积为500MHz，完全能够将AD603输出信号放大3倍。一路输入是D/A输出调零电压，第二路是AD603信号输出，(当AD603输入短路时为零漂、失调信号)，第三路是一5V负偏压共同加在OPA690输入端，对失调电压进行校正。
因为D/A输出是单极性电压(O～4096V)，第三路输入使OPA690第2脚偏压约(-005～+O15V)。
调零用的采样ADC利用MSP430内部AD，节约了ADC，降低了系统的成本。
3．椭圆滤波器
分别设计了一3dB截止频率为5MHz和10MHz的9阶无源椭圆滤波器。根据滤波器设计手册中的归一化设计表格，可以查表得到所需要的电容电感值。并通过滤波器软件仿真，根据仿真得到的幅频特性曲线对电容电感值做调整。下图为10MHz的椭圆滤波器的电路及仿真幅频特性曲线图。实际测试结果为：截止频率为10.02MHz，带内起伏≤O.8dB。
4.程控放大电路
如下图所示，该程控放大电路为降低成本，仅用到一款运放OPA699，构成增益为1和10两个挡，后面为两个继电器切换电阻衰减网络，一个衰减为0.1倍，另一个为O.01倍。该程控放大电路加上前级AD603的4158dB最大增益、14dB的末级功率放大等，最终整个系统实现了90dB的最大电压增益。
5.后级功率放大电路
采用电流反馈型运放THS3091做5倍功率放大，如下图所示。THS3091具有高达7300V/μs的摆率，带宽不小于200MHz，采用±18V供电。其最大输出电流为250mA，若采用一片THS3091，驱动不了题目要求的最大电压有效值不小于10V的输出，因此采用两片T卜tS3091并联，每片THS3091为50Ω负载提供一半电流。
6．直流稳压电源
直流稳压电源核心部分包括：电源变压器、桥式全波整流电路、大电容滤波电路、低压差稳压器件稳压电路。电源变压器由一个初级线圈和三个次级线圈构成，为低压差稳压器件LTl963和LT1175提供三个独立转换电压。LTl963、LT1175均为可变输出的稳压芯片，LT1963输出正电压，LT1175输出负电压，调节每一稳压芯片外围的两个取样电阻值的比例，灵活得到±18V、±15V和±5V输出。
低压差稳压器件的使用提高了直流稳压电源的效率。
四、程序设计
本系统软件设计部分基于MSP430F449单片机平台，主要完成增益控制、直流零点自动校准功能、按键处理和显示控制。充分利用MSP430F449低功耗模式，当相应控制设置好后，不做其它处理时，单片机便进入低功耗模式。低功耗模式下，单片机可以被任意按键中断唤醒。下图为主程序流程图。
五、设计和调试中遇到的问题
整个系统偏重了模拟设计，数字控制简单，控制部分主要是基于MSP430F449进行编程实现，没有遇到纯数字控制上的问题。在模拟设计和调试中遇到的问题比较多，需要一一考虑清楚，采用合理的方法解决。本系统为宽带放大，需要考虑增益带宽积的问题，还有放大器的稳定对整个系统至关重要。控制通带内的增益起伏，尤其是本系统是一个直流放大器，直流零点漂移是一个较难解决的问题，特别是在对一个不确定的电路参量进行检测时，采用绝对的地作为参照，这样在任何情况之下都是成立的，并且可以衍生出以地为参照的各种准确的参照。然后依据这样的方法，我们实现了在不同时间温度情况下能随时数控自我校准的功能。
1.带宽增益积
带宽增益积是指放大电路通带电压增益与通频带的乘积。
对电压反馈型运放，带宽增益积是一个常数。
典型的电压反馈型运放构成的同相放大电路的增益可用A表示：
