基于可調(diào)程控的寬帶直流放大器設(shè)計(jì)

摘 要：本系統(tǒng)采用可控增益放大器VCA810和寬帶低噪聲運(yùn)放OPA2846結(jié)合的方式，通過(guò)主控芯STC12C5A60S2控制D/A輸出電壓調(diào)整VCA810增益，并且能夠有效地實(shí)現(xiàn)0～60dB可調(diào)增益.還加入BUF634并聯(lián)模塊以提高系統(tǒng)的帶載能力，之后使用巴特沃茲無(wú)源低通濾波電路對(duì)放大器的帶寬進(jìn)行限制，同時(shí)濾除噪聲.末級(jí)采用THS3092兩路并聯(lián)功率放大模塊對(duì)輸出功率進(jìn)行放大，使整個(gè)系統(tǒng)輸出最大有效值達(dá)到6V本系統(tǒng)具有帶寬增益可調(diào)范圍大，能夠有效抑制直流零點(diǎn)漂移，放大器穩(wěn)定性高等特性。

關(guān)鍵詞：寬帶放大器；可控增益；VCA810

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)基于可調(diào)程控的寬帶直流放大器，要求增益可調(diào)范圍為0～60dB，信號(hào)的通頻帶保持在0～5MHz，最大帶寬增益積為5GHz，輸出電壓有效值可達(dá)6V，具有通頻帶內(nèi)增益平坦，能夠抑制直流零點(diǎn)漂移，并且能夠保持放大器的穩(wěn)定性。文章根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要包括四個(gè)模塊：固定增益放大模塊、可變?cè)鲆娣糯竽K、低通濾波器模塊及功率放大模塊。

1 系統(tǒng)總體框架

如圖1所示，本系統(tǒng)以STC12C5A60S2作為控制與運(yùn)算核心，將輸入信號(hào)輸入到第一級(jí)放大電路進(jìn)行增益放大，再經(jīng)第二級(jí)放大電路濾除雜波和進(jìn)行功率放大后得到符合要求的輸出信號(hào)。其中，第一級(jí)放大電路主要包含固定增益放大模塊和可變?cè)鲆娣糯竽K，第二級(jí)低通濾波器模塊和功率放大模塊。另外，STC12C5A60S2主要用于可變?cè)鲆娣糯竽K的程控和輸出調(diào)制電壓的實(shí)時(shí)顯示。為使第一級(jí)放大電路和第二級(jí)放大電路不互相影響，文章在兩級(jí)電路之間加入一個(gè)緩沖級(jí)。

2 實(shí)現(xiàn)原理

2.1 帶寬增益積。本系統(tǒng)信號(hào)通頻帶為0～5MHz，最大電壓增益Av≥60dB，則系統(tǒng)增益帶寬積為：5M×10^（60/20）=5GHz

2.2 通頻帶內(nèi)增益起伏控制。對(duì)于通頻帶增益起伏的控制，本系統(tǒng)需要設(shè)置放大器的頻率范圍為0～5M，因此必須保證0～5M通頻帶內(nèi)增益保持平坦。通過(guò)選擇通帶最平坦的巴特沃茲濾波器來(lái)預(yù)置帶寬，使得放大器在這個(gè)預(yù)置頻率范圍內(nèi)保持增益平坦。

2.3 抑制直流零點(diǎn)漂移。放大器輸入為零時(shí)，輸出出現(xiàn)的電壓稱為輸出的偏置電壓。偏置隨時(shí)間、溫度、電源電壓等一起變化的情況稱為零點(diǎn)漂移。由于VCA810本身零點(diǎn)漂移較大，最大能達(dá)到30mV，故應(yīng)盡量減少使用VCA810的數(shù)量，在增益控制中，本系統(tǒng)采用一片VCA810可變?cè)鲆娣糯笈cOPA2846固定增益放大配合，通過(guò)單片機(jī)程控輸出信號(hào)放大通路實(shí)現(xiàn)0～60dB可調(diào)增益，OPA2846的輸入偏置電壓僅為0.15mV，THS3092在±5V供電時(shí)輸入偏置電壓僅為0.3mV，均能夠很有效地抑制零點(diǎn)漂移。

2.4 放大器穩(wěn)定性

系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于系統(tǒng)的相位裕量，相位裕量是指放大器開(kāi)環(huán)增益為0dB時(shí)的相位與180°的差值，放大器一般會(huì)有自激的問(wèn)題，有的情況是由于在放大器的相移為180°時(shí)，其增益仍然大于1，這種情況可以在反饋環(huán)路中增加零點(diǎn)來(lái)做相位補(bǔ)償.總體來(lái)說(shuō)，自激振蕩是由于信號(hào)在通過(guò)運(yùn)放及反饋回路的過(guò)程中產(chǎn)生了附加相移，用？駐？準(zhǔn)？住表示低頻段的附加相移，？駐？準(zhǔn)F表示高頻段的附加相移，當(dāng)輸入某一信號(hào)頻率為f0，使？駐？準(zhǔn)？住+？駐？準(zhǔn)F=N？仔（N為奇數(shù)），反饋量使輸入量增大，電路產(chǎn)生正反饋。由于本系統(tǒng)中的反饋均為運(yùn)放單級(jí)反饋，故應(yīng)注意使每級(jí)運(yùn)放自身產(chǎn)生的附加相移小180°，在電路調(diào)試過(guò)程中，對(duì)于電壓反饋型運(yùn)放OPA2846，VCA810，我們可以人為地引入電阻、電容，他們?cè)趂0處產(chǎn)生的附加相移為？駐？準(zhǔn)B，若使得？駐？準(zhǔn)B+？駐？準(zhǔn)？住+？駐？準(zhǔn)F≠N？仔（N為奇數(shù)），則自激振蕩得以消除，對(duì)于高速，寬帶的電流反饋型運(yùn)放THS3092，我們特別注意了走線布局，如反饋環(huán)一定要走最短路線，因?yàn)殚L(zhǎng)的線也會(huì)引起更大的附加相移；計(jì)算選擇了合適的反饋電阻阻值，使其不因阻值太大而產(chǎn)生更大的分部電容，導(dǎo)致更大的附加相移；也不因阻值太大而降低放大器的帶寬。

3 主要功能模塊設(shè)計(jì)

3.1 第一級(jí)放大電路設(shè)計(jì)。第一級(jí)放大電路包含固定增益放大模塊及可變?cè)鲆娣糯竽K。OPA2846固定增益放大模塊設(shè)置固定增益為20dB，再加上VCA810可變?cè)鲆娣秶鸀?40dB～40dB，采用單片機(jī)程控D/A輸出電壓控制VCA810的電壓增益可調(diào)范圍為-20dB～40dB，這樣就能實(shí)現(xiàn)0dB～60dB可調(diào)增益。

3.2 第二級(jí)放大電路設(shè)計(jì)。第二級(jí)放大電路包含低通濾波器模塊及功率放大模塊。第二級(jí)放大電路加入了5MHz的LC低通濾波器以濾除雜波。為獲得放大器通頻帶內(nèi)最平坦的幅頻特性曲線，使用濾波器設(shè)計(jì)軟件Multism設(shè)計(jì)并制作了三階巴特沃斯5M低通濾波器測(cè)試表明信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器后會(huì)衰減為原來(lái)的1/2，故在濾波器后加入由THS3092搭建的10倍增益放大器，使輸出功率增大的同時(shí)有效恢復(fù)原來(lái)電壓的幅度。為獲得6V有效值及大電流輸出，我們采用兩路THS3092并聯(lián)擴(kuò)流的方式搭建功率放大模塊。

3.3 功率緩沖設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)中采用了由多個(gè)高速緩沖器BUF634并聯(lián)的功率驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)流輸出，提升了放大器帶負(fù)載能力。BUF634是高速緩沖芯片，可用±18V供電，輸出電流達(dá)250mA，壓擺率2000V/uS。BUF634在高帶寬模式下的帶寬為180MHz，但單片BUF634難以達(dá)到理想的擺幅要求，因此采用幾片BUF634并聯(lián)的方法來(lái)達(dá)到擺幅要求，經(jīng)由實(shí)驗(yàn)測(cè)試，由2片BUF634并聯(lián)就可達(dá)到理想的擺幅和負(fù)載。

3.4 各級(jí)電源設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用±5V電源為VCA810可變?cè)鲆娣糯笃?、OPA2846固定增益放大器及單片機(jī)供電；為滿足6V有效電壓的輸出，采用±18V電源為T(mén)HS3902并聯(lián)功率放大電路供電；±5V、±18V電源采用線性穩(wěn)壓塊7805、7905、7818、7918搭建。

3.5 主控制器選擇。選用STC12C5A60S2單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，單片機(jī)主要完成以下功能：一是用按鍵控制D/A輸出的電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)放大器VCA810的增益控制；二是用A/D采集D/A輸出的電壓，并將電壓值實(shí)時(shí)顯示在1602液晶屏幕上。

3.6 抗干擾處理。本系統(tǒng)在實(shí)際制作中通過(guò)采用地線將整個(gè)運(yùn)放電路包圍，以吸收高頻信號(hào)、減少噪聲的方法來(lái)減少干擾，避免自激。在增益控制部分和后級(jí)功率放大部分也都采用此方法。另外，在功率放大級(jí)電路中，這種方法可以有效避免高頻信號(hào)輻射。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制核心，啟動(dòng)系統(tǒng)后，單片機(jī)自帶A/D自動(dòng)讀取當(dāng)前D/A輸出電壓值，并且顯示在LCD1602上，通過(guò)按鍵控制可以調(diào)節(jié)控制D/A輸出的電壓，從而達(dá)到程控調(diào)節(jié)電壓增益的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)的可調(diào)程控寬帶直流放大器實(shí)現(xiàn)了0～60dB范圍的可調(diào)增益，0～5MHz的信號(hào)通頻帶，并且通過(guò)BUF634并聯(lián)模塊提高了系統(tǒng)的帶載能力，最后經(jīng)過(guò)功率放大之后能使整個(gè)系統(tǒng)輸出最大有效值達(dá)到6V。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)具有帶寬增益可調(diào)范圍大，能夠有效抑制直流零點(diǎn)漂移，放大器穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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