寬帶直流放大器

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(hào)或通信接收端接收到空中微弱的信號(hào)進(jìn)行提取、放大。只有將信號(hào)放大到一定程度才能滿足后級(jí)設(shè)備的要求，使分析結(jié)果正確。同時(shí)很多設(shè)備還要求具有一定輸出功率，才能驅(qū)動(dòng)后級(jí)設(shè)備或使通信的發(fā)射端將信號(hào)有效傳輸?shù)浇邮斩恕Ｈ欢鎸?duì)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(dòng)態(tài)范圍、功率等參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。為此，這里設(shè)計(jì)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(jí)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(shí)驗(yàn)要求，可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，具有推廣性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
1．1 可控增益放大
    可控增益放大由可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)AD603實(shí)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(hào)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(guò)單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算并控制D／A轉(zhuǎn)換器輸出其控制電壓來(lái)獲得的，從而實(shí)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(jī)控制，穩(wěn)定性好，滿足系統(tǒng)要求。
1．2 后級(jí)功率放大
    采用多片集成運(yùn)算放大器并聯(lián)組成后級(jí)功率放大電路，通過(guò)改變放大器的增益實(shí)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(yùn)算放大器并聯(lián)放大電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且輸出波形可無(wú)明顯失真。該系統(tǒng)選用高壓低失真電流反饋型放大器THS-3091，最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)350 mA，3片THS3091最大可提供為l050mA的電流，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
1．3 濾波電路
    根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，需要一個(gè)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(jià)格高。因此，該方案采用七階無(wú)源橢圓濾波器，該濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、帶寬大，穩(wěn)定性好，波動(dòng)小等特點(diǎn)。并利用濾波器設(shè)計(jì)軟件filter solution快速設(shè)計(jì)出通帶波動(dòng)小阻帶衰減大的濾波器。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，該系統(tǒng)由前級(jí)信號(hào)調(diào)理電路、可控增益電路、加法器電路、濾波選擇電路、后級(jí)程控放大電路和后級(jí)功率放大電路組成。

    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前級(jí)信號(hào)調(diào)理電路可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配以及10倍放大，以提高輸入信號(hào)的信噪比；可控增益放大電路是以AD603為核心組成的，可對(duì)輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)-10～+30 dB的放大；加法器電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的零點(diǎn)漂移的有效調(diào)節(jié)，從而抑制零點(diǎn)漂移；以繼電器為核心的濾波器選擇電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的帶寬為5 MHz或1O MHz的選擇；由MAX309和THS309l組成的后級(jí)程控放大電路可對(duì)信號(hào)分別實(shí)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(dòng)50 Ω負(fù)載，輸出信號(hào)峰-峰值可達(dá)20 V且無(wú)明顯失真。
2．1 可控增益放大電路
    可控增益放大電路是以可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603為核心，信號(hào)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(guò)16位高精度D／A轉(zhuǎn)換器MAX541來(lái)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(guò)10μF和0．1μF并聯(lián)接地去耦，提高系統(tǒng)穩(wěn)定，抑制自激，如圖2所示。

2．2 后級(jí)程控放大電路
    后級(jí)程控放大電路主要由模擬開(kāi)關(guān)MAX309和THS3091構(gòu)成，MAX309導(dǎo)通電阻約100Ω，可通過(guò)10 MHz以上的信號(hào)，容性負(fù)載小，使用方便，易于編程，可通過(guò)FPGA對(duì)MAx309進(jìn)行開(kāi)關(guān)選通，前級(jí)為同相放大，放大倍數(shù)為2倍，有利于信號(hào)隔離和傳輸，提高驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力，該電路可對(duì)輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)0．01、0．1、1、10倍的放大，如圖3所示。

2．3 后級(jí)功率放大電路
    后級(jí)功率放大電路由3片THS3091并聯(lián)構(gòu)成，±15V供電時(shí)，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(gè)THS309l進(jìn)行并聯(lián)，負(fù)載電阻由4只200Ω電阻并聯(lián)組成。信號(hào)由同相端輸入，增益設(shè)置為3．8倍，起到隔離和放大信號(hào)的作用。如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)軟件部分由以單片機(jī)為核心的最小系統(tǒng)構(gòu)成，進(jìn)入歡迎界面后通過(guò)ENTER鍵可進(jìn)入主菜單界面。通過(guò)不同的按鍵可選擇不同的軟件設(shè)置，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)有兩檔校準(zhǔn)放大電路中零點(diǎn)漂移，自動(dòng)校準(zhǔn)和手動(dòng)校準(zhǔn)。按鍵2可對(duì)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(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)，按鍵4可對(duì)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(duì)系統(tǒng)所有設(shè)置可實(shí)時(shí)顯示，人機(jī)交互界面友好，軟件設(shè)計(jì)詳細(xì)流程如圖5所示。

4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果
4．1 測(cè)試條件
    對(duì)該帶寬直流放大器在28℃室溫的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，其而測(cè)試儀器及型號(hào)如下：直流穩(wěn)壓電源，SGl733SB3A；60 M示波器，Tektronix TDS1002；數(shù)字信號(hào)源，Tektronix AFG310；PC機(jī)，聯(lián)想WindOWS XP；仿真機(jī)，E51／S偉福仿真機(jī)。
4．2 測(cè)試結(jié)果
    表1給出在放大器的通頻帶為5 MHz，輸入信號(hào)有效值為20 mV，預(yù)置增益放大為40 dB的測(cè)試條件下，改變其輸入信號(hào)的頻率，所測(cè)得的輸出信號(hào)的峰峰值；表2給出在放大器的通頻帶為10 MHz，輸入信號(hào)有效值為5 mV，預(yù)置增益放大為60 dB的測(cè)試條件下，改變其輸入信號(hào)的頻率，所測(cè)得的輸出信號(hào)的峰峰值。其最大輸出電壓峰峰值為20 V。

5 結(jié)束語(yǔ)
    以VGA AD603為放大器核心的寬帶直流放大器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)0～10 MHz正弦信號(hào)的0～75 dB放大，帶寬可設(shè)置為5 MHz或10 MHz兩種，在50Ω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(jī)AT89C55WD和FPGA構(gòu)成的最小系統(tǒng)的控制可以增加性價(jià)比，同時(shí)可進(jìn)一步減小噪聲。后級(jí)功率放大電路可采用±18 V代替±15 V，可進(jìn)一步將信號(hào)的峰峰值提高到28 V以上，同時(shí)后級(jí)應(yīng)采取一些保護(hù)措施(如加風(fēng)扇)減小后級(jí)電路的溫度，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用PCB制作，可增加抗干擾性，抑制自激，具有廣泛的市場(chǎng)空間。