寬帶直流放大器

孫健興，馬正亞，王 汪

（武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430079）

在現(xiàn)代電子設(shè)備、通訊設(shè)備和科研生產(chǎn)中常需要利用放大電路將傳感器輸出的微弱信號或通信接收端接收到空中微弱的信號進(jìn)行提取、放大。只有將信號放大到一定程度才能滿足后級設(shè)備的要求，使分析結(jié)果正確。同時很多設(shè)備還要求具有一定輸出功率，才能驅(qū)動后級設(shè)備或使通信的發(fā)射端將信號有效傳輸?shù)浇邮斩?。然而面對多種多樣的放大要求，現(xiàn)在的放大電路難以在頻帶、增益動態(tài)范圍、功率等參數(shù)滿足設(shè)計要求。為此，這里設(shè)計一種寬帶直流放大器，該直流放大器的頻率從0 Hz到10 MHz，增益調(diào)節(jié)范圍為0～75 dB，帶寬可設(shè)置為5 MHz或10 MHz兩種，后級功率放大電路可輸出20 V的峰峰值。該系統(tǒng)成本低廉，精度高，滿足一般生產(chǎn)科研實驗要求，可應(yīng)用于多種場合，具有推廣性。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 可控增益放大[1]

可控增益放大由可變增益放大器（VGA）AD603實現(xiàn)的。AD603具有單通道、寬頻帶、低噪音、低畸變、高增益精度等特性，其內(nèi)部是由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，施加在其梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，增益量是由增益控制接口參考電壓決定；而該參考電壓是通過單片機進(jìn)行運算并控制D/A轉(zhuǎn)換器輸出其控制電壓來獲得的，從而實現(xiàn)較精確的數(shù)字控制。此外AD603能提供由直流到30 MHz以上的工作帶寬。電路集成度高，易于單片機控制，穩(wěn)定性好，滿足系統(tǒng)要求。

1.2 后級功率放大

采用多片集成運算放大器并聯(lián)組成后級功率放大電路，通過改變放大器的增益實現(xiàn)不同倍數(shù)放大，多片放大器并聯(lián)可提供較大的輸出電流。多片集成運算放大器并聯(lián)放大電路結(jié)構(gòu)較為簡單，易于實現(xiàn)，且輸出波形可無明顯失真。該系統(tǒng)選用高壓低失真電流反饋型放大器THS3091，最大驅(qū)動電流可達(dá) 350 mA，3片THS3091最大可提供為 1 050 mA的電流，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

1.3 濾波電路[2]

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，需要一個5 MHz和10 MHz的低通濾波器，一般集成濾波器和有源濾波電路都難以達(dá)到上述帶寬要求，且價格高。因此，該方案采用七階無源橢圓濾波器，該濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、帶寬大，穩(wěn)定性好，波動小等特點。并利用濾波器設(shè)計軟件filter solution快速設(shè)計出通帶波動小阻帶衰減大的濾波器。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示，該系統(tǒng)由前級信號調(diào)理電路、可控增益電路、加法器電路[3]、濾波選擇電路、后級程控放大電路和后級功率放大電路組成。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

該系統(tǒng)設(shè)計的前級信號調(diào)理電路可對輸入信號進(jìn)行阻抗匹配以及10倍放大，以提高輸入信號的信噪比；可控增益放大電路是以AD603為核心組成的，可對輸入信號實現(xiàn)-10～+30 dB的放大；加法器電路可實現(xiàn)對信號的零點漂移的有效調(diào)節(jié)，從而抑制零點漂移；以繼電器為核心的濾波器選擇電路可實現(xiàn)對信號的帶寬為5 MHz或10 MHz的選擇；由MAX309和THS3091組成的后級程控放大電路可對信號分別實現(xiàn) 0.01，0.5，5，10倍的放大； 功率放大電路由 3片THS3091并聯(lián)構(gòu)成，驅(qū)動50 Ω負(fù)載，輸出信號峰-峰值可達(dá)20 V且無明顯失真。

2.1 可控增益放大電路[4]

可控增益放大電路是以可變增益放大器AD603為核心，信號直接輸入AD603的引腳3，引腳2輸入偏置電壓，并聯(lián)10 μF電容構(gòu)成低通濾波器濾除輸入電壓噪音，引腳1的電平通過16位高精度D/A轉(zhuǎn)換器MAX541來調(diào)節(jié)增益放大，該的基準(zhǔn)電壓是MAX6225的輸出電壓。AD603的5引腳與7引腳短接使其工作增益范圍為-10～+30 dB，帶寬為90 MHz狀態(tài)下，而其供電電壓通過10 μF和0.1 μF并聯(lián)接地去耦，提高系統(tǒng)穩(wěn)定，抑制自激，如圖2所示。

圖2 可控增益放大電路

2.2 后級程控放大電路

后級程控放大電路主要由模擬開關(guān)MAX309和THS3091構(gòu)成，MAX309導(dǎo)通電阻約100 Ω，可通過10 MHz以上的信號，容性負(fù)載小，使用方便，易于編程，可通過FPGA對MAX309進(jìn)行開關(guān)選通，前級為同相放大，放大倍數(shù)為2倍，有利于信號隔離和傳輸，提高驅(qū)動負(fù)載能力，該電路可對輸入信號實現(xiàn)0.01、0.1、1、10倍的放大，如圖3所示。

圖3 后級程控放大電路

2.3 后級功率放大電路

后級功率放大電路由3片THS3091并聯(lián)構(gòu)成，±15 V供電時，最大輸出電壓峰峰值可達(dá)20 V，根據(jù)該器件數(shù)據(jù)資料，THS3091輸出電流最大可達(dá)350 mA，為了達(dá)到輸出功率的要求，使用3個THS3091進(jìn)行并聯(lián)，負(fù)載電阻由4只200 Ω電阻并聯(lián)組成。信號由同相端輸入，增益設(shè)置為3.8倍，起到隔離和放大信號的作用，如圖4所示。

圖4 后級功率放大電路設(shè)計

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件部分由以單片機[5]為核心的最小系統(tǒng)構(gòu)成，進(jìn)入歡迎界面后通過ENTER鍵可進(jìn)入主菜單界面。通過不同的按鍵可選擇不同的軟件設(shè)置，系統(tǒng)軟件設(shè)計有兩檔校準(zhǔn)放大電路中零點漂移，自動校準(zhǔn)和手動校準(zhǔn)。按鍵2可對放大系統(tǒng)帶寬進(jìn)行選擇，按鍵3可選擇增益調(diào)節(jié)方式為手動連續(xù)調(diào)節(jié)，按鍵4可對電壓增益進(jìn)行預(yù)置，預(yù)置范圍為 0～75 dB，步距為5 dB。對系統(tǒng)所有設(shè)置可實時顯示，人機交互界面友好，軟件設(shè)計詳細(xì)流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計

4 測試方案與測試結(jié)果

4.1 測試條件

對該帶寬直流放大器在28℃室溫的環(huán)境下進(jìn)行測試，其而測試儀器及型號如下：直流穩(wěn)壓電源，SG1733SB3A；60 M示波器，Tektronix TDS1002； 數(shù)字信號源，Tektronix AFG310；PC機，聯(lián)想Windows XP；仿真機，E51/S偉福仿真機。

4.2 測試結(jié)果

表1給出在放大器的通頻帶為5 MHz，輸入信號有效值為20 mV，預(yù)置增益放大為40 dB的測試條件下，改變其輸入信號的頻率，所測得的輸出信號的峰峰值；表2給出在放大器的通頻帶為10 MHz，輸入信號有效值為5 mV，預(yù)置增益放大為60 dB的測試條件下，改變其輸入信號的頻率，所測得的輸出信號的峰峰值。其最大輸出電壓峰峰值為20 V。

表1 5 MHz帶寬下，寬帶放大器幅頻特性測試數(shù)據(jù)

表2 10 MHz帶寬下，寬帶放大器幅頻特性測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

以VGA AD603為放大器核心的寬帶直流放大器，實現(xiàn)了對 0～10 MHz正弦信號的0～75 dB放大，帶寬可設(shè)置為5 MHz或10 MHz兩種，在50 Ω負(fù)載下最大輸出電壓峰峰值為20 V。如果采用MSP430F449代替以單片機AT89C55WD和FPGA構(gòu)成的最小系統(tǒng)的控制可以增加性價比，同時可進(jìn)一步減小噪聲。后級功率放大電路可采用±18 V代替±15 V，可進(jìn)一步將信號的峰峰值提高到28 V以上，同時后級應(yīng)采取一些保護措施（如加風(fēng)扇）減小后級電路的溫度，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。該系統(tǒng)設(shè)計采用PCB制作，可增加抗干擾性，抑制自激，具有廣泛的市場空間。

[1]Analog Devices Inc.AD603 Data sheet[EB/OL].2003.http://www.analog-g.com/productSe-lection/pdf/AD603_pra.pdf.

[2]阿瑟·B·威廉斯.電子濾波器設(shè)計手冊[M].喻春軒，譯.北京:電子工業(yè)出版社，1986.

[3]謝自美.電子線路設(shè)計實驗測試 [M].2版.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2003.

[4]黃根春，陳小橋，張望先.電子設(shè)計教程[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.

[5]李朝青.單片機原理及接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

[6]董尚斌，蘇利，代永紅.電子線路（一）[M].北京:清華大學(xué)出版社，2007.