寬帶直流放大器的增益控制設(shè)計(jì)與研究

聶震，莫波，楊宗霖

（北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京100081）

引 言

在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中，特別是在一些控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)中，直流放大電路應(yīng)用非常廣泛。傳感器將一些非電量（如溫度、流量、壓力、速度、角速度等）轉(zhuǎn)化為電信號，該電信號較為微弱，幅值和功率都不足以能夠驅(qū)動(dòng)下一級的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所以需要將這個(gè)電信號放大到所需的程度，再去推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行，從而達(dá)到測量的目的。普通的運(yùn)算放大器存在著頻帶窄、噪聲系數(shù)大、增益低等本身不可忽略的缺點(diǎn)。在較為復(fù)雜的系統(tǒng)中，希望能夠在程序中用軟件控制放大器的增益，或者放大器本身能自動(dòng)將增益調(diào)整到適當(dāng)?shù)姆秶Ｒ虼?，設(shè)計(jì)一款頻帶寬、低噪聲、增益可調(diào)的放大器有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本設(shè)計(jì)以亞德諾半導(dǎo)體公司的AD603為核心研究頻帶寬、功率高、增益可調(diào)的寬帶直流放大器。

1 方案論證與比較

1.1 可控增益放大器部分

方案一：采用獨(dú)立的分立元件。利用高頻三極管構(gòu)成多極放大電路來滿足增益的要求，同時(shí)利用二極管在輸出端檢波產(chǎn)生電壓反饋，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制的目的。由于采用分立元件，致使電路復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)增益的精確控制，電路穩(wěn)定度差，容易產(chǎn)生自激，頻帶內(nèi)增益的穩(wěn)定也不易實(shí)現(xiàn)。

方案二：可直接采用可調(diào)增益運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)，采用電壓控制增益放大器AD603。該方案采用了高集成元件電路簡單，容易調(diào)節(jié)，可控性強(qiáng)。利用AD603的線性dB增益控制特點(diǎn)結(jié)合D／A變換可以實(shí)現(xiàn)增益及其步進(jìn)的精確控制。

方案三：選擇高速、寬帶放大器，組建兩級放大電路，自行搭建放大倍數(shù)電阻網(wǎng)絡(luò)，通過單片機(jī)控制繼電器的導(dǎo)通與關(guān)斷，來選擇不同的增益調(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。

方案一采用分立元件，弊端極多，因此不予考慮；方案三存在阻抗匹配的問題，而且自行搭建的電阻網(wǎng)絡(luò)，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)干擾變大，面臨步進(jìn)難以進(jìn)一步細(xì)分的困難，且增益量（dB）不成線性；方案二可以達(dá)到步進(jìn)0.2dB的精度，單片機(jī)易于控制，自動(dòng)增益控制也可以通過軟件方法來實(shí)現(xiàn)，考慮到盡可能好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求，因此最終選擇了方案二。方案二中的AD603是一種低噪聲、高寬帶精密可控增益放大器，最大增益誤差僅為0.5dB。

1.2 后級放大部分

輸出級要能夠驅(qū)動(dòng)一定的負(fù)載，要求輸出電壓的有效值大于2V。由于AD603構(gòu)成放大器最大輸出電壓較小且不超過2V，不能滿足設(shè)計(jì)的基本要求，所以需要增加后級功率放大電路。

方案一：采用分立元件搭建。為保證高頻端放大器的穩(wěn)定性和通頻帶內(nèi)幅度的平坦度，宜采用互補(bǔ)推挽和深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路形式。

方案二：采用高速、寬帶放大器AD811 作為后級放大。AD811的單位增益帶寬為140MHz，擺率為2500V／μs，輸出電流可達(dá)100mA，完全可以滿足要求。

采用集成運(yùn)放電路簡單，干擾較少，很容易實(shí)現(xiàn)放大器的穩(wěn)定性和帶內(nèi)幅度穩(wěn)定的要求；采用分立元件雖節(jié)省了成本，但系統(tǒng)干擾可能會(huì)較大，調(diào)試也比較麻煩，綜合考慮選擇方案二。

2 系統(tǒng)框圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，充分利用數(shù)字部分的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)兩部分優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，構(gòu)造穩(wěn)定易于實(shí)現(xiàn)的寬帶放大系統(tǒng)。

單片機(jī)采用價(jià)格低、使用方便的C8051F000。系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示。本設(shè)計(jì)中的單片機(jī)采用C8051F000作為主控制器來實(shí)現(xiàn)增益控制和人機(jī)對話。其中包括4×4矩陣按鍵、1602液晶顯示，放大部分由可控增益放大和后級放大兩部分構(gòu)成。后級放大實(shí)現(xiàn)電壓放大和負(fù)載的驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)通過D／A 轉(zhuǎn)換產(chǎn)生精確的增益控制電壓實(shí)現(xiàn)對放大器增益的精確控制。

圖1 系統(tǒng)總體方框圖

3 主要電路原理分析與計(jì)算

3.1 增益控制

AD603的基本增益可以由下式算出：

其中，Vg是差分輸入電壓，單位是V，范圍為-0.5～＋0.5V。Gain是AD603的基本增益，單位是dB。變化范圍為20～＋40dB。

為滿足設(shè)計(jì)的要求最大增益≥60dB要求，進(jìn)行兩級級聯(lián)，那么總增益可由下式得出：

增益范圍是20～＋80dB，滿足設(shè)計(jì)的要求。

從式中可以看出，以dB作單位的對數(shù)增益和電壓之間是線性的關(guān)系。由此可以得出，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)確的實(shí)現(xiàn)。后級放大器增益設(shè)定為6dB。滿足設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)的最大電壓增益AV≥40dB增益控制的要求。

圖2所示為兩級AD603級聯(lián)，VIN 引腳為放大信號的輸入，GPOS引腳與單片機(jī)的D／A 輸出引腳相連，由單片機(jī)產(chǎn)生輸出控制電壓信號。對于AD603沒有接入反向放大器，且可控增益放大器和功率放大器都是同向，對于深度負(fù)反饋較易產(chǎn)生自激振蕩使相位發(fā)生偏移，本電路采用開環(huán)控制，故不易產(chǎn)生相位偏移和反向。

圖2 增益控制放大器

3.2 功率放大級

采用高速單運(yùn)放AD811完成放大。AD811為電流反饋型寬帶運(yùn)放，其帶寬增益積為140 MHz，±15V 供電，增益為10dB的情況下，-3dB帶寬達(dá)100 MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足本系統(tǒng)的寬帶放大要求，有±15V 的輸出擺幅，且輸出電流最大可達(dá)100mA，完全可滿足峰峰值要求。AD811的電壓擺率為2 500V／μs，根據(jù)擺率計(jì)算公式：在輸出信號有效值Vom為2V，頻率fmax為6MHz的情況下，所需要的最小電壓擺率可由式（3）算出為960.28 V／μs，AD811完全可以滿足要求。如圖3所示，圖中AD811的3腳與AD603的輸出端相連接。

3.3 D／A轉(zhuǎn)換

C8051F000 系列MCU 有兩個(gè)12 位的電壓方式DAC。每個(gè)DAC的輸出擺幅均為0～VREF（本設(shè)計(jì)中采用的是5 V 的基準(zhǔn)源），對應(yīng)的輸入碼范圍是0x000～0xFFF。本設(shè)計(jì)只使用DAC0，首先在DACOCN 控制寄存器中的DAC0EN 位（DAC0CN.7）使能DAC0，通過DACOCN［2：0］位選擇數(shù)據(jù)字格式，設(shè)計(jì)中采用的是12 位數(shù)據(jù)右對齊，而實(shí)際操作中只需要向DAC0H 和DAC0L 寄存器中寫入數(shù)據(jù)即可。C8051F000的內(nèi)部D／A 轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 功率放大器電路圖

圖4 DAC內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.4 電源部分設(shè)計(jì)

線性電源雖然簡單，但在整個(gè)系統(tǒng)中有非常重要的作用。由于是信號的頻率較高，所以電源的穩(wěn)定性決定著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以要求電源輸出穩(wěn)定，紋波小。

直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路及穩(wěn)壓電路組成產(chǎn)生各種所需的直流電壓，其中±15 V、±5V都可以使用相應(yīng)的固定輸出的三端穩(wěn)壓芯片LM7805、LM7905、LM7815、LM7915，如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試

測試儀器包括：GOS6050 數(shù)字示波器；DT9973 數(shù)字萬用表；TFG6030DDS函數(shù)信號發(fā)生器；直流穩(wěn)壓電源；負(fù)載電阻，RL＝50Ω。

圖5 電源部分電路圖

測試方法及數(shù)據(jù)如下所述。

（1）噪聲測量

選取在增益為60dB時(shí)測量電路的噪聲，將輸入端接地，測量輸出端的電壓為峰峰值≈230mV，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求。

（2）輸出電壓有效值測量

輸入加10kHz正弦波，調(diào)節(jié)電壓和增益測得不失真最大輸出電壓有效值在2.6V±0.5V范圍內(nèi)浮動(dòng)，達(dá)到題目要求輸出電壓有效值大于2V。

（3）3dB通頻帶測量

為了測試系統(tǒng)的性能，在測量通頻帶時(shí)，選取增益為40dB情況，輸入峰峰值20mV 的正弦信號。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的原因，只能用抽樣取樣的方法來描繪幅頻特性，如表1所列。

從表格中可以看出3dB點(diǎn)的通頻帶值在10 MHz附近?？梢姳驹O(shè)計(jì)符合題目要求的通頻帶的要求，但是僅在0～4 MHz通頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）增益測量

表2 為增益測試的數(shù)據(jù)，其中輸入信號的頻率為1MHz。

由于所用的模擬示波器和數(shù)字信號源并不是很匹配，所以在數(shù)據(jù)測量的時(shí)候存在誤差，會(huì)給測試結(jié)果帶來一定誤差。但總體上還附合誤差控制要求。

表1 幅頻特性

（5）其他測試情況

最大輸出電壓≥2V；增益范圍為0～45dB；通頻帶0～10.7 MHz；增益步進(jìn)能實(shí)現(xiàn)5dB 可調(diào)，同時(shí)可以任意設(shè)定增益值；輸出增益顯示。

結(jié) 語

本文是基于單片機(jī)C8051F000 的寬帶直流放大器，電路由幾個(gè)主要模塊共同構(gòu)成，放大器采用兩級AD603級聯(lián)的方式，能夠滿足0～10 MHz帶寬范圍內(nèi)的信號，并實(shí)現(xiàn)0～45dB可調(diào)增益范圍。通過測試驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。

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