唐雁峰，李洪祚，李銳

(長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022)

隨著電子技術(shù)、通信技術(shù)迅速發(fā)展，高增益寬帶放大器在科研中的重要作用越來越突出。寬帶運算放大器廣泛應(yīng)用信號處理、視頻放大器等電路。這些電路不僅要求放大器有寬帶寬，還要求具有高的放大增益。

1 放大器增益帶寬積

對于放大器而言，增益和帶寬是其非常重要的兩個指標(biāo)，而增益和帶寬又是一對互相矛盾的參數(shù)，放大電路的增益隨著頻率的增加反而降低。用增益和帶寬的乘積作為放大器的幅頻特性參數(shù)可以求得應(yīng)用頻率范圍內(nèi)的最小增益。增益帶寬積是放大器的一項重要指標(biāo)，由運放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，當(dāng)增益增大的時候，相應(yīng)的帶寬就會因為運放的內(nèi)部影響而減??；同時，帶寬增大的時候，其相應(yīng)的增益就會減小，但積是一個常數(shù)。

若放大器帶寬為F，其上限截止頻率=x，下限截止頻率=y；那么在3dB的增益下，電壓放大倍數(shù)AU為：

則Po是放大器輸出功率，Pi是放大器輸出功率。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

實現(xiàn)增益超過60dB、寬帶超過4MHz的放大器。只用一級放大無法滿足，因此本設(shè)計采用多級放大器級聯(lián)的形式，考慮到放大器的低頻特性，多級放大采用直接耦合的方式級聯(lián)。利用 AVR單片機(jī)實現(xiàn)增益的數(shù)控，可以通過鍵盤完成放大增益的設(shè)置、步進(jìn)調(diào)節(jié)，并通過液晶屏幕顯示當(dāng)前的增益狀態(tài)。峰值檢波電路，ADC轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)構(gòu)成了增益穩(wěn)定自動控制電路，實時監(jiān)測放大增益的波動，保證放大器當(dāng)前設(shè)置增益的穩(wěn)定性。由于三級放大器與兩級放大器相比，增益大，帶寬小，因此，本設(shè)計特別設(shè)計了由單片機(jī)控制的聯(lián)動開關(guān)，可選擇兩級或三級放大，以滿足不同的增益、帶寬需求。

圖1 高增益、寬帶放大器原理框圖Fig.1 Basic block diagram of a high gain and wide bandwidth amplifier

2.1 兩級放大電路設(shè)計

AD603是一款8個引腳的高增益、帶寬可調(diào)放大器。其最大增益實現(xiàn)50dB，帶寬最大90MHz。通過改變5腳和8腳之間的反饋電阻，可以改變其帶寬；調(diào)節(jié)1腳和2腳之間的電壓可以改變放大增益。帶寬在90MHz的時候，增益可以達(dá)到-10～30dB；帶寬為30MHz的時候，增益可以達(dá)到0～40dB；帶寬為9M的時候，增益可以達(dá)到10～50dB。

但是如果只用一個 AD603的話，其帶載能力差，而且增益調(diào)節(jié)范圍有限。因此采用兩個AD603級聯(lián)，其中第一級放大器以低放大倍數(shù)保證帶寬，第二級放大器主要實現(xiàn)高增益放大。

其中VG為1腳和2腳間電壓。

圖2 兩級AD603放大電路圖Fig.2 Circuit of two-stage AD603 amplifier

采用數(shù)控方式實現(xiàn)放大器增益的調(diào)節(jié)，如果分別調(diào)節(jié)每個AD603的增益，則使數(shù)控變得復(fù)雜，且可靠性降低。本設(shè)計采用如圖2電路連接方式，將第一級放大器2腳電壓設(shè)置為固定值0.5V，將第二級放大器2腳電壓設(shè)置為固定值1.5V。增益數(shù)控電路中DAC的輸出電壓同時接到第一、二級放大器的1腳，同時控制兩級放大器的增益。兩級放大器的增益變化如圖3所示，可實現(xiàn)增益從0到60dB連續(xù)線性調(diào)節(jié)。

圖3 兩級放大器增益隨與控制電壓變化Fig.3 Change of gain with control voltage

2.2 第三級放大電路設(shè)計

AD603的供電電壓最大為±6.2V，因此由兩級AD603放大的信號幅度最大為5V左右，如果放大器增益設(shè)置為60dB，則其輸入信號最大為5mV，放大器允許的輸入信號太小，不利于實際使用。AD811是一款視頻驅(qū)動放大器，其放大增益最大為12dB，供電電壓±18V，因此放大信號幅度可達(dá)到15V左右。作為視頻驅(qū)動放大器，具有較強(qiáng)的帶載能力，可以驅(qū)動50負(fù)載。其放大增益將AD811的增益設(shè)置為2倍，以保證其帶寬。

第三級放大器的加入使整個放大器的帶寬比兩級放大器減小。為了適應(yīng)不同輸入信號對增益、帶寬、信號幅度的需要，采用數(shù)控兩路聯(lián)動開關(guān)，可以在兩級或三級放大方式間切換，適應(yīng)不同的放大需要。

2.3 增益自動控制電路設(shè)計

采用數(shù)控方式實現(xiàn)增益自動控制，由峰值檢波電路取樣輸出電壓，再由 ADC0809將取樣電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送由單片機(jī)處理，DAC0832將單片機(jī)提供的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為控制電壓同時提供給兩路AD603，以保證放大器增益的穩(wěn)定性。三極管的基極由單片機(jī)控制，產(chǎn)生10s的高電平使電容放電，以減少前一頻率測量對后一頻率測量的影響，提高幅值測量精度。

圖4 峰值檢波電路原理圖Fig.4 Circuit schematic diagram of peak detection

2.4 增益數(shù)控調(diào)節(jié)電路設(shè)計

的創(chuàng)新點之一是采用數(shù)控方式進(jìn)行放大器增益的調(diào)節(jié)。利用 DAC0832所產(chǎn)生的電壓，控制兩級AD603的1腳，以改變放大增益。通過鍵盤可以預(yù)設(shè)放大增益，實現(xiàn)放大增益0～60dB間5dB步進(jìn)調(diào)節(jié)。

3 數(shù)控單元設(shè)計

圖5 程序流程圖Fig.5 Flow chart of software

采用AVRmegal16單片機(jī)作為處理器，完成對增益的自動控制、增益調(diào)節(jié)等功能。其軟件流程如圖5所示。

4 測試結(jié)果

本設(shè)計的放大器，實現(xiàn)了增益的數(shù)字控制調(diào)節(jié)，控制電壓與增益(dB)在有效帶寬內(nèi)成線性關(guān)系，如圖6。

圖6 增益變化曲線Fig.6 Curves of gain with control voltage

輸入信號有效值 10mV，放大器增益為 40dB時，其有效頻率范圍為4Hz～6MHz，在1KHz～5MHz內(nèi)，其增益變化<1dB，如圖7。

圖7 增益40dB時帶寬曲線Fig.7 Curves of bandwidth with 40dB

在輸入信號有效值5mV，放大器增益為60dB時，其帶寬為4Hz～4.4MHz，在通頻帶1KHz～3.8MHz內(nèi)，其增益變化<1dB，如圖8。

圖8 60dB增益帶寬曲線Fig.8 Curves of bandwidth with 60dB

5 結(jié)論

本設(shè)計采用三級放大器直接耦合級聯(lián)方式，低頻特性較好，下限頻率可以達(dá)到幾個赫茲，帶寬大，可以達(dá)到6MHz；放大器增益調(diào)節(jié)范圍大，可放大60dB，增益的穩(wěn)定控制實現(xiàn)自動化，增益調(diào)節(jié)數(shù)控化；放大器輸出電阻小，驅(qū)動能力強(qiáng)。該放大器可廣泛應(yīng)用于弱信號處理電路，視頻驅(qū)動電路。

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