一種帶寬直流放大器的設(shè)計(jì)

     摘要： 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?strong>AD603 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。

　　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)。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。

圖1 系統(tǒng)框圖

　　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， 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。

　　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。

　　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。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

　　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， 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）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)鲆娣糯笃鳎?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?？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。

圖2 可編程增益放大器

　　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。

圖3 低通濾波電路

　　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 。

圖4 后級(jí)放大電路

　　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)。

　　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。

　?。?） 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。

　　（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。

圖5 軟件流程圖

　　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。