程控寬帶直流功率放大器的設(shè)計

摘要：以壓控運放AD603、功率運放THS3092、10位串行D／A芯片TLC5615和AVR單片機ATmegal28為核心，以液晶屏、鍵盤為人機接口，通過軟件補償增益誤差，設(shè)計一種可編程控制電壓增益的大功率寬帶直流放大器。該放大器可實現(xiàn)O～60 dB增益范圍內(nèi)1 dB步進可調(diào)和DC～10MHz帶寬，控制誤差不大于3％，50 Ω負載上最大不失真輸出有效值達到10 V。
關(guān)鍵詞：寬帶直流功率放大器；AD603；頻帶預(yù)置；THS3092

引言
在許多生物電信號測試過程中，需要對從直流成分到幾十Hz帶寬內(nèi)、高內(nèi)阻、弱信號傳感器的輸出信號進行放大處理，參考文獻設(shè)計了這種信號的放大電路。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，寬帶運算放大器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于A／D與D／A轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、精密比較器、波形發(fā)生器和視頻放大器等各種電路中，參考文獻設(shè)計了這種信號放大電路。在很多信號采集系統(tǒng)中，傳感器輸出的電壓信號變化范圍較大，經(jīng)固定增益放大后得到的信號幅值有時波動達幾十dB。信號幅值過大會超出后續(xù)信號處理設(shè)備的輸入電壓范圍，造成損壞器件的嚴重后果，而幅值過小可能丟失有用信號。參考文獻在程序中用軟件控制放大器增益，設(shè)計了解決這個問題的電路。針對寬帶高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，參考文獻采用價格比較昂貴的FPGA和DSP芯片設(shè)計了一種大動態(tài)范圍、低失真直流耦合模擬前端。該設(shè)計采用一個可控粗放大和程控細放大2級放大電路，既保證信號的帶寬，又滿足對微弱信號的放大需求。
上述文獻均未提到程控寬帶直流功率放大器的方法，而在實際科研和測量儀器中，希望當輸入信號的頻率在DC～10 MHz以及幅度大范圍變化時，輸出信號的頻帶和幅度大小能按需要調(diào)節(jié)和預(yù)置，甚至輸出電壓有效值高達10 V且能顯示。這就要求對電路進行優(yōu)化設(shè)計，兼顧工藝制造，才能設(shè)計出性價比更高的寬帶直流放大器。本文采用AVR單片機ATmegal28作為核心控制器，結(jié)合10位串行D／A芯片TLC5615、功率運放THS3092、可編程增益運放AD603以及其他相關(guān)電路，構(gòu)成了可預(yù)置程控寬帶直流功率放大電路。該電路系統(tǒng)增益調(diào)節(jié)范圍為O～60 dB，步進間距為1 dB，頻帶為DC～10 MHz，輸出電壓有效值為10 V，矩陣鍵盤預(yù)置增益值步進，點陣液晶顯示實時電壓有效值，人機界面友好，操作簡單方便。

1 系統(tǒng)總體方案
若采用可編程放大的思想，將輸入的信號作為高速D／A轉(zhuǎn)換器的基準電壓，那么D／A轉(zhuǎn)換器作為一個程控衰減器，對速度的要求很高。同時，為了實現(xiàn)O～60 dB增益可調(diào)，勢必需要D／A轉(zhuǎn)換器輸出衰減最少60 dB以上。假設(shè)信號源有效值低于20 mV，衰減后為20 μV，如此小的信號有可能完全被噪聲淹沒，或大大增加信號調(diào)理的難度。
也可采用2片AD603壓控增益寬帶放大器，每片實現(xiàn)-10～30 dB增益。通過測試發(fā)現(xiàn)，AD603輸出含有與增益無關(guān)的直流電壓，由于項目要求頻率可延伸至直流，即級與級之間不能加電容耦合隔離直流，則前級AD603輸出的直流偏置會嚴重影響后級放大。本文采用1片AD603，后級采用多通道繼電器切換增益的方式。AD603單片實現(xiàn)10～30 dB放大，后級跟隨不同固定增益的放大電路來實現(xiàn)分段連續(xù)放大，最后達到整體增益連續(xù)可調(diào)的目的。

本設(shè)計由小信號程控放大10 dB放大及調(diào)零、帶寬濾波、后級功率放大、單片機及人機交互等電路組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。程控放大電路采用一片電壓控制芯片AD603實現(xiàn)-10～30 dB放大。調(diào)零放大電路采用OPA690構(gòu)成10 dB同相放大器兼做靜態(tài)調(diào)零電路。寬帶濾波電路采用2路7階巴特沃斯低通濾波器分別實現(xiàn)DC～5 MHz和DC～10 MHz帶寬限制。后級根據(jù)不同情況分別采用OPA690和THS3092實現(xiàn)10 dB與18dB固定增益功率放大。ATmegal28單片機通過10位串行D／A轉(zhuǎn)換器TLC5615控制AD603的放大倍數(shù)，通過控制繼電器組切換不同的濾波電路來實現(xiàn)不同的帶寬限制，切換不同的放大電路通道實現(xiàn)分段連續(xù)放大，最終實現(xiàn)整體增益0～60 dB連續(xù)可調(diào)，通過控制鍵盤和液晶顯示來實現(xiàn)人機交互。
程控放大電路增益為-10～30 dB，3級固定增益放大電路增益分別為10 dB、10 dB和18 dB。當希望放大器的增益為0～35 dB時，信號只通過程控放大、第1級10dB放大及調(diào)零電路、帶寬濾波電路，而后輸出到負載；當希望放大器的增益為36～45 dB時，信號還要再通過第2級10 dB放大電路，而后輸出到負載；當希望放大器的增益為46～60 dB時，信號通過程控放大、第1級10 dB及調(diào)零電路、濾波電路、第2級10 dB放大電路、第3級18 dB功率放大電路，而后輸出到負載。因此，只要實現(xiàn)第1級程控放大電路按步進1 dB連續(xù)可調(diào)，通過繼電器組的切換后，信號分別從3個固定增益級輸出后即可實現(xiàn)O～35 dB、36～45 dB、46～60 dB增益分段連續(xù)可調(diào)，總增益步進調(diào)節(jié)范圍涵蓋了O～60 dB。這樣分段設(shè)計成功解決了單片或多片壓控運放控制范圍過寬時不易控制且容易振蕩的問題，而且降低了信號處理的難度，從而大大縮短了研發(fā)時間。