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可變增益寬帶放大器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，而后級放大電路可將輸出電壓有效值放大到10 V。整個設(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。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī)控制；可預(yù)置增益放大；低通濾波；后級放大

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、脈沖信號或射頻信號[1]。本文提出了一種以可變增益放大器VGA 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)系的可變增益放大器來實(shí)現(xiàn)增益控制。用電壓控制增益，便于單片機(jī)控制，同時可以減少噪聲和干擾[3]。
綜合比較，選用方案二，采用可變增益放大器AD603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)前級的射級跟隨，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)成前級的射級跟隨器。OPA692是高速寬帶運(yùn)放，其在±5 V雙電源工作時，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)過比較，采用方案二。由于AD603的輸入阻抗只有100 ?贅，使用OPA692作為前級輸入完全能滿足要求，并且可以很好地隔絕前級電路對后級電路的干擾，實(shí)現(xiàn)級間的阻抗匹配。
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)行簡單的線性計(jì)算就可以控制對數(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、精密控制的可變增益放大器，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時增益變化范圍為
-11 dB～+3l dB；帶寬為9 MHz時為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腳斷開時，增益變化范圍為9 dB～51 dB，當(dāng)5腳與7腳短接時，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，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AD603級聯(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 后級放大電路
后級功率放大電路采用運(yùn)放AD811實(shí)現(xiàn)。AD811是美國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，-3 dB帶寬為140 MHz；當(dāng)增益G=2時，-3 dB帶寬為140 MHz；當(dāng)增益G=10時，-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。后級放大具體電路見圖4。

4.4 手動增益預(yù)置及控制
單片機(jī)C8051F020是整個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AD603的增益控制電壓進(jìn)行控制并可完成顯示功能。手動增益預(yù)置的基本思路是：單片機(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。輸入級和輸出級使用BNC接頭，輸入級和功率級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)字信號對模擬信號的干擾。
5 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件時，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，起到了設(shè)計(jì)簡單、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)用價值。
參考文獻(xiàn)
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