一種帶寬直流放大器的設(shè)計(jì)

雷 丹，李川香

（華中科技大學(xué) 武昌分校自動(dòng)化系，湖北 武漢 430064）

一種帶寬直流放大器的設(shè)計(jì)

雷 丹，李川香

（華中科技大學(xué) 武昌分校自動(dòng)化系，湖北 武漢 430064）

設(shè)計(jì)了一種由前置放大電路、可預(yù)置增益放大電路、低通濾波電路、后級(jí)放大電路、直流穩(wěn)壓電路及單片機(jī)控制電路組成的帶寬直流放大器。其中增益放大電路由兩級(jí)可變?cè)鲆鎸拵Х糯笃鰽D603組成，增益的預(yù)置由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，濾波器采用二階巴特沃思濾波器，而后級(jí)放大電路可將輸出電壓有效值放大到10 V。整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了最大電壓增益AV≥60 dB，并且增益連續(xù)可調(diào)，其制作成本低、電源效率高。

單片機(jī)控制；可預(yù)置增益放大；低通濾波；后級(jí)放大

帶寬放大器是指工作頻率上限與下限之比遠(yuǎn)大于l的放大電路。這類電路主要用于放大視頻信號(hào)、脈沖信號(hào)或射頻信號(hào)[1]。本文提出了一種以可變?cè)鲆娣糯笃鱒GA AD603為核心，結(jié)合外圍模擬及數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)寬帶放大器的設(shè)計(jì)方法，帶寬可達(dá)10 MHz。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由前置放大、可預(yù)置增益放大、低通濾波器、后級(jí)放大、直流穩(wěn)壓模塊和單片機(jī)控制與顯示模塊六大部分構(gòu)成。具體電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 方案論證與設(shè)計(jì)

2.1 可控增益放大器方案選擇

方案一：DAC控制增益。該方案從理論上講，只要D/A的速度夠快、精度夠高就可以實(shí)現(xiàn)很寬范圍的精密增益調(diào)節(jié)。但是控制的數(shù)字量和最后的增益（dB）不成線性關(guān)系而是成指數(shù)關(guān)系，造成增益調(diào)節(jié)不均勻、精度下降[2]，且其增益動(dòng)態(tài)范圍有限，故不采用；方案二：使用控制電壓與增益成線性關(guān)系的可編程增益放大器PGA，用控制電壓和增益（dB）成線性關(guān)系的可變?cè)鲆娣糯笃鱽?lái)實(shí)現(xiàn)增益控制。用電壓控制增益，便于單片機(jī)控制，同時(shí)可以減少噪聲和干擾[3]。

綜合比較，選用方案二，采用可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603作增益控制放大器。

2.2 輸入阻抗匹配方案選擇

方案一：采用低噪聲精準(zhǔn)放大器OP27設(shè)計(jì)前級(jí)的射級(jí)跟隨，盡管噪聲小、精度高，但是由于帶寬僅為8 MHz，達(dá)不到10 MHz的要求；方案二：采用高速寬帶運(yùn)放OPA692作為構(gòu)成前級(jí)的射級(jí)跟隨器。OPA692是高速寬帶運(yùn)放，其在±5 V雙電源工作時(shí)，增益為2，頻帶寬度為190 MHz，電壓轉(zhuǎn)換速率為 2 100 V/μs[4]。

經(jīng)過(guò)比較，采用方案二。由于AD603的輸入阻抗只有100 Ω，使用OPA692作為前級(jí)輸入完全能滿足要求，并且可以很好地隔絕前級(jí)電路對(duì)后級(jí)電路的干擾，實(shí)現(xiàn)級(jí)間的阻抗匹配。

2.3 濾波電路選擇方案

方案一：采用RC濾波電路，但RC濾波衰減很大；方案二：利用高速寬帶運(yùn)放OPA690設(shè)計(jì)二階巴特沃思濾波器，其通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒(méi)有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零[5]。經(jīng)比較，選擇方案二。

3 理論分析與參數(shù)計(jì)算

3.1 電壓增益控制原理分析

AD603的基本增益為：Gain=40 VG+10，其中，VG是差分輸入電壓，單位是V，Gain是AD603的基本增益，單位是dB。從此式可以看出，以dB作單位對(duì)數(shù)增益和電壓之間是線性關(guān)系[6]，因此，只要單片機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性計(jì)算就可以控制對(duì)數(shù)增益，增益步進(jìn)可以很準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)。

3.2 通頻帶內(nèi)增益起伏控制分析

為控制通頻帶內(nèi)增益起伏，采用二階巴特沃思濾波環(huán)節(jié)，其電阻電容可根據(jù)式（1）、式（2）[7]計(jì)算：

其中f0為通帶截止頻率，Q為f=f0時(shí)電壓放大倍數(shù)與通帶放大倍數(shù)數(shù)值之比。計(jì)算數(shù)據(jù)可仿真實(shí)現(xiàn)。

3.3 抑制直流零點(diǎn)漂移分析

在集成運(yùn)放同相輸入端和反相輸入端外接總電阻相同的情況下，可抑制零點(diǎn)漂移，另外在實(shí)際調(diào)試中，還應(yīng)加入調(diào)零端，可有效地調(diào)整零位。

3.4 放大器穩(wěn)定性分析

在各級(jí)放大電路中，設(shè)計(jì)中均采用了電壓負(fù)反饋，保證了放大器運(yùn)行穩(wěn)定。

4 主要功能模塊設(shè)計(jì)

4.1 可編程增益放大器

AD603是一款低噪聲、精密控制的可變?cè)鲆娣糯笃?，溫度穩(wěn)定性高，最大增益誤差為0.5 dB，其增益（dB）與控制電壓（V）成線性關(guān)系，因此可以很方便地使用D/A輸出電壓控制放大器的增益，并且其輸入電流很小，致使片內(nèi)控制電路對(duì)提供增益控制電壓的外電路影響減小，很適合構(gòu)成程控增益放大器[8]?？删幊淘鲆娣糯笃鰽D603由無(wú)源輸入衰減器、增益控制界面和固定增益放大器三部分組成。帶寬90 MHz時(shí)增益變化范圍為-11 dB～+3l dB；帶寬為 9 MHz時(shí)為 9 dB～51 dB。 增益變化范圍可分三種模式進(jìn)行控制：當(dāng) 5腳與7腳斷開(kāi)時(shí)，增益變化范圍為9 dB～51 dB，當(dāng)5腳與7腳短接時(shí)，增益變化范應(yīng)為-11 dB～+3l dB，當(dāng)5腳與7腳之間接一電阻時(shí)，可使增益變化范圍進(jìn)行平移。為了增大控制范圍，設(shè)計(jì)中采取了兩級(jí)AD603級(jí)聯(lián)的方法，如圖2所示。

4.2 低通濾波電路

設(shè)計(jì)中采用了專用設(shè)計(jì)濾波器軟件Filter Wiz Pro，利用高速寬帶運(yùn)OPA690實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

4.3 后級(jí)放大電路

后級(jí)功率放大電路采用運(yùn)放AD811實(shí)現(xiàn)。AD811是美國(guó)模擬器件公司推出的一種帶電流反饋型視頻運(yùn)算放大器，當(dāng)增益 G=1時(shí)，-3 dB帶寬為 140 MHz；當(dāng)增益G=2時(shí)，-3 dB帶寬為 140 MHz；當(dāng)增益 G=10時(shí)，-3 dB帶寬可達(dá) 100 MHz；電壓轉(zhuǎn)換率為 2 500 V/μs，完全滿足系統(tǒng)需求。后級(jí)放大具體電路見(jiàn)圖4。

4.4 手動(dòng)增益預(yù)置及控制

單片機(jī)C8051F020是整個(gè)放大器控制的核心部分，它主要完成以下功能：接收用戶按鍵信息以控制增益，進(jìn)而對(duì)AD603的增益控制電壓進(jìn)行控制并可完成顯示功能。手動(dòng)增益預(yù)置的基本思路是：?jiǎn)纹瑱C(jī)鍵盤輸入設(shè)定，數(shù)字程控，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生控制輸出電壓，加至圖2中兩片AD603的1腳，從而對(duì)增益進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)方便直觀。

4.5 直流穩(wěn)壓電源

電源采用橋式全波整流、濾波及三端穩(wěn)壓，可輸出±15 V、±12 V、±9 V、±5 V 的芯片供電電壓。 交流輸入采用18 V隔離變壓器，因此整流二極管選用IN5408，其耐壓耐流完全符合要求。整流濾波為π型濾波，濾波效果良 好，三端 穩(wěn) 壓由 CM7815、CM7915、CM7812、CM7912、CM7809、CM7909、CM7805、CM7905 實(shí)現(xiàn)[9]。

4.6 抗擾措施

系統(tǒng)總的增益為60 dB，因此利用有效的抗干擾措施才能避免自激和減少噪聲，為此采用了如下方式：

（1）所有信號(hào)耦合用電解電容兩端并接高頻瓷片電容以避免高頻增益下降。

（2）使用同軸電纜。輸入級(jí)和輸出級(jí)使用BNC接頭，輸入級(jí)和功率級(jí)之間用同軸電纜連接[10]。

（3）數(shù)模隔離。數(shù)字部分和模擬部分之間除了電源隔離之外，還在DAC TLV5620后級(jí)加入光電耦合器進(jìn)行隔離，進(jìn)而成功消除了數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾。

5 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件時(shí)，采用C8051F020，完成增益預(yù)置及顯示功能，其程序流程如圖5所示。

整個(gè)設(shè)計(jì)包括模擬和數(shù)字兩大部分，采用集成電路與分立元器件結(jié)合的方案，集中了各自優(yōu)勢(shì)，起到了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、實(shí)現(xiàn)容易的效果。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了最大電壓增益 AV≥60 dB，輸入電壓有效值 Vi≤10 mV，且AV手動(dòng)連續(xù)可調(diào)，3 dB通頻帶為0～10 MHz，帶寬性能良好、制作成本低、電源效率高，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

[1]Zhen Zeng.Wideband amplifier[J].International Electronic Elements.2008，16（11）：90-100.

[2]薛開(kāi)昶.幾種放大器的程控增益電路設(shè)計(jì)[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，27（3）：138-142.

[3]周大敏.低噪聲可變?cè)鲆娣糯笃髟O(shè)計(jì)[J].混合微電子技術(shù)，2003，11（3）：31-34.

[4]陳永剛，劉立國(guó).AD603及其在AGC電路中的應(yīng)用[J].電子世界，2002，12（4）：39-41.

[5]黃根春，陳小橋.電子設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[6]童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2007.

[7]王兆安.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[8]阮三元.低噪聲可變?cè)鲆娣糯笃鞯男阅芗皯?yīng)用[M].電子元器件應(yīng)用，2003，5（11）：16-21.

Design of DC wideband amplifier

Lei Dan，Li Chuanxiang

（Department of Automation,Huazhong University of Science and Technology Wuchang Branch,Wuhan 430064，China）

The design of DC wideband amplifier consists of pre-amplification,pre-gain amplification,low-pass filter,post-amplifier,the DC power module，the MCU control and display module.Pre-gain amplification composed by two AD603 which has variable gain wideband and the gain preset by the microcontroller module.The second-order butterworth filter used as low pass filter,post-amplifier can amplify the voltage to 10 V.SCM module can adjustable preset amplifier gain continuously,and displays the preset voltage gain and filter bandwidth.This design makes maximum voltage gain AV≥60 dB,and the AV can be manually adjusted continuously.The design has high efficiency power and low production costs.

SCM control；preset gain amplification；low-pass filter；after amplifier

TN722.7+2

A

1674-7720（2011）02-0100-03

2010-07-02）

雷丹，女，1981年生，碩士，講師，主要研究方向：控制工程。

李川香，女，1943年生，教授，主要研究方向：控制理論。