寬帶直流放大器的增益控制設計與研究

摘要：首先進行了方案論證與比較，分析各種方案的優(yōu)點缺點，最后選擇亞德諾半導體公司生產(chǎn)的低噪聲增益可控集成運算放大器AD603和電流反饋型寬帶運算放大器AD811等器件設計寬帶直流放大器。輸入級采用兩級AD603級聯(lián)，輸出級設計通頻帶0～10 MHz的帶寬，通過單片機可以對放大器增益進行控制。該放大器具有頻帶寬、功率高、增益可調(diào)、帶寬可選擇等特點。此外、對提高直流放大器的各種性能指標提出了多種具體措施，在要求較高的系統(tǒng)中具有較強的實用性。

引言

在工業(yè)領(lǐng)域應用中，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)動下一級的執(zhí)行機構(gòu)，所以需要將這個電信號放大到所需的程度，再去推動執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行，從而達到測量的目的。普通的運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。在較為復雜的系統(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將增益調(diào)整到適當?shù)姆秶Ｒ虼?，設計一款頻帶寬、低噪聲、增益可調(diào)的放大器有著非常重要的現(xiàn)實意義。本設計以亞德諾半導體公司的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，同時利用二極管在輸出端檢波產(chǎn)生電壓反饋，實現(xiàn)自動增益控制的目的。由于采用分立元件，致使電路復雜，不易實現(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)定也不易實現(xiàn)。

方案二：可直接采用可調(diào)增益運放來實現(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。利用AD603的線性dB增益控制特點結(jié)合D/A變換可以實現(xiàn)增益及其步進的精確控制。

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，通過單片機控制繼電器的導通與關(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，可能會導致系統(tǒng)干擾變大，面臨步進難以進一步細分的困難，且增益量(dB)不成線性;方案二可以達到步進0.2 dB的精度，單片機易于控制，自動增益控制也可以通過軟件方法來實現(xiàn)，考慮到盡可能好的實現(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0.5 dB。

1.2 后級放大部分

輸出級要能夠驅(qū)動一定的負載，要求輸出電壓的有效值大于2 V。由于AD603構(gòu)成放大器最大輸出電壓較小且不超過2 V，不能滿足設計的基本要求，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，宜采用互補推挽和深度電壓串聯(lián)負反饋電路形式。

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140 MHz，擺率為2500 V/μs，輸出電流可達100mA，完全可以滿足要求。

采用集成運放電路簡單，干擾較少，很容易實現(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)設計要求，充分利用數(shù)字部分的優(yōu)點，實現(xiàn)兩部分優(yōu)缺點互補，構(gòu)造穩(wěn)定易于實現(xiàn)的寬帶放大系統(tǒng)。

單片機采用價格低、使用方便的C8051F000。系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示。本設計中的單片機采用C8051F000作為主控制器來實現(xiàn)增益控制和人機對話。其中包括4 x 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。后級放大實現(xiàn)電壓放大和負載的驅(qū)動。單片機通過D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生精確的增益控制電壓實現(xiàn)對放大器增益的精確控制。

3 主要電路原理分析與計算

3.1 增益控制

AD603的基本增益可以由下式算出：

Gain(dB)=40Vg+10 (1)

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

為滿足設計的要求最大增益≥60 dB要求，進行兩級級聯(lián)，那么總增益可由下式得出：

Gain(dB)=80Vg+20 (2)

增益范圍是20～+80 dB，滿足設計的要求。

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，只要單片機進行簡單的線性計算就可以控制對數(shù)增益，增益步進可以很準確的實現(xiàn)。后級放大器增益設定為6 dB。滿足設計要求實現(xiàn)的最大電壓增益AV≥40 dB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引腳與單片機的D/A輸出引腳相連，由單片機產(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。

3.2 功率放大級

采用高速單運放AD811完成放大。AD811為電流反饋型寬帶運放，其帶寬增益積為140 MHz，±15 V供電，增益為10 dB的情況下，-3 dB帶寬達100 MHz，遠遠滿足本系統(tǒng)的寬帶放大要求，有±15 V的輸出擺幅，且輸出電流最大可達100 mA，完全可滿足峰峰值要求。AD811的電壓擺率為2 500 V/μs，根據(jù)擺率計算公式：在輸出信號有效值Vom為2 V，頻率fmax為6 MHz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。

SR=2π·Vom·fmax (3)

3.3 D/A轉(zhuǎn)換

C8051F000系列MCU有兩個12位的電壓方式DAC。每個DAC的輸出擺幅均為0～VREF(本設計中采用的是5 V的基準源)，對應的輸入碼范圍是0x000～0xFFF。本設計只使用DAC0，首先在DACOCN控制寄存器中的DACOEN位(DAC0CN.7)使能DAC0，通過DACOCN[2：0]位選擇數(shù)據(jù)字格式，設計中采用的是12位數(shù)據(jù)右對齊，而實際操作中只需要向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。

3.4 電源部分設計

線性電源雖然簡單，但在整個系統(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、±5 V都可以使用相應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;TFG6030 DDS函數(shù)信號發(fā)生器;直流穩(wěn)壓電源;負載電阻，RL=50 Ω。

測試方法及數(shù)據(jù)如下所述。

(1)噪聲測量

選取在增益為60 dB時測量電路的噪聲，將輸入端接地，測量輸出端的電壓為峰峰值≈230 mV，遠小于設計要求。

(2)輸出電壓有效值測量

輸入加10 kHz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2.6 V±0.5 V范圍內(nèi)浮動，達到題目要求輸出電壓有效值大于2 V。

(3)3 dB通頻帶測量

為了測試系統(tǒng)的性能，在測量通頻帶時，選取增益為40 dB情況，輸入峰峰值20 mV的正弦信號。由于實驗設備的原因，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3 dB點的通頻帶值在10 MHz附近。可見本設計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≤1 dB，滿足設計要求。

(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1 MHz。

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)測量的時候存在誤差，會給測試結(jié)果帶來一定誤差。但總體上還附合誤差控制要求。

(5)其他測試情況

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

結(jié)語

本文是基于單片機C8051F000的寬帶直流放大器，電路由幾個主要模塊共同構(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，并實現(xiàn)0～45 dB可調(diào)增益范圍。通過測試驗證了系統(tǒng)的可行性和實用性。