程控寬帶直流功率放大器研究

　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(jìn)行放大處理，參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)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(yùn)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(xiàn)設(shè)計(jì)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(shí)波動達(dá)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(yán)重后果，而幅值過小可能丟失有用信號。參考文獻(xiàn)在程序中用軟件控制放大器增益，設(shè)計(jì)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(xiàn)采用價(jià)格比較昂貴的FPGA和DSP芯片設(shè)計(jì)了一種大動態(tài)范圍、低失真直流耦合模擬前端。該設(shè)計(jì)采用一個可控粗放大和程控細(xì)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(xiàn)均未提到程控寬帶直流功率放大器的方法，而在實(shí)際科研和測量儀器中，希望當(dāng)輸入信號的頻率在DC～10 MHz以及幅度大范圍變化時(shí)，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(dá)10 V且能顯示。這就要求對電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，兼顧工藝制造，才能設(shè)計(jì)出性價(jià)比更高的寬帶直流放大器。本文采用AVR單片機(jī)ATmegal28作為核心控制器，結(jié)合10位串行D／A芯片TLC5615、功率運(yùn)放THS3092、可編程增益運(yùn)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(jìn)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(jìn)，點(diǎn)陣液晶顯示實(shí)時(shí)電壓有效值，人機(jī)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(zhǔn)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(shí)，為了實(shí)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(shí)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(xiàng)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(yán)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(shí)現(xiàn)10～30 dB放大，后級跟隨不同固定增益的放大電路來實(shí)現(xiàn)分段連續(xù)放大，最后達(dá)到整體增益連續(xù)可調(diào)的目的。

　　本設(shè)計(jì)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(jī)及人機(jī)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)10 dB與18dB固定增益功率放大。ATmegal28單片機(jī)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(shí)現(xiàn)不同的帶寬限制，切換不同的放大電路通道實(shí)現(xiàn)分段連續(xù)放大，最終實(shí)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(shí)現(xiàn)人機(jī)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(dāng)希望放大器的增益為0～35 dB時(shí)，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(fù)載；當(dāng)希望放大器的增益為36～45 dB時(shí)，信號還要再通過第2級10 dB放大電路，而后輸出到負(fù)載；當(dāng)希望放大器的增益為46～60 dB時(shí)，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(fù)載。因此，只要實(shí)現(xiàn)第1級程控放大電路按步進(jìn)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(shí)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(jìn)調(diào)節(jié)范圍涵蓋了O～60 dB。這樣分段設(shè)計(jì)成功解決了單片或多片壓控運(yùn)放控制范圍過寬時(shí)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(shí)間。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2．1 程控放大及直流偏置調(diào)整電路

　　前級可控增益放大電路采用AD603壓控運(yùn)放。AD603是一款溫度穩(wěn)定性高、噪聲低、精密控制的可變增益放大器。其通頻帶為90 MHz，基本增益Gain(dB)=40VG+10。其中，VG是壓控輸入電壓，控制電壓范圍為-O．5～+O．5 V，所以該放大器設(shè)計(jì)增益為-10～+30 dB。從此式還可以看出，以dB作為單位的對數(shù)增益和控制電壓之間是線性的關(guān)系，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，可以很準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)增益步進(jìn)。

　　AD603的1、2腳為增益控制差分電壓輸入端，最大增益誤差為0．5 dB，壓控電壓由10位D／A轉(zhuǎn)換器TLC5615提供。TLC5615的2．5 V基準(zhǔn)電壓由精密可調(diào)電壓源TL431提供，最大輸出電壓為5 V，輸出電壓分辨率是4．9 mV，所以AD603的分辨率約為O．2 dB。因此，通過單片機(jī)內(nèi)預(yù)置數(shù)據(jù)表可以比較容易地實(shí)現(xiàn)增益步進(jìn)1 dB的預(yù)置。為了設(shè)計(jì)方便，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)把AD603的2腳接入0．6 V固定電壓，1腳電壓由D／A轉(zhuǎn)換器DAC5615提供，因此要求DAC5615輸出的電壓范圍為O．1～1．1 V，即可滿足要求。

　　普通的寬帶放大器一般不包括直流成分，級與級之間通過電容耦合，這樣可以有效地避免各級之間靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響。本項(xiàng)目要求放大器放大的信號頻率可延伸至直流，由于實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)AD603輸出含有與增益無關(guān)的直流電壓，因此需要在AD603之后設(shè)置一級直流偏置調(diào)整電路。實(shí)際電路如圖2所示。電路采用精密運(yùn)放OPA690構(gòu)成同相比例放大器，因前級電路的零點(diǎn)漂移電壓為正值，需在放大器的反相輸入端加一可調(diào)直流偏壓。

　　2．2 帶寬濾波電路

　　根據(jù)項(xiàng)目需要，設(shè)計(jì)時(shí)采用了DC～5MHz和DC～10 MHz兩種帶寬。綜合考慮帶內(nèi)增益波動、相位特性、設(shè)計(jì)難度，以及無源濾波器在高速、高階濾波方面相對于有源濾波器有較好性能的特點(diǎn)，濾波電路由分立元件LC組合而成，采用在通頻帶內(nèi)起伏最小的巴特沃斯低通濾波器。經(jīng)測試，7階下截止頻率為5 MHz時(shí)，0～4 MHz頻帶內(nèi)起伏小于1 dB；截止頻率為10 MHz時(shí)，O～9 MHz頻帶內(nèi)起伏也小于l dB。歸一化的7階巴特沃斯低通濾波器的電路圖如圖3所示。

　　根據(jù)公式，可計(jì)算出截止頻率分別為5 MHz、10 MHz，特性阻抗為50 Ω時(shí)的濾波器元件參數(shù)。其中，L’、C’為計(jì)算得到的值，L、C為對應(yīng)的歸一化數(shù)據(jù)，f為濾波器的截止頻率。具體計(jì)算結(jié)果如表1所列。

　　2．3 功率放大電路

　　若采用分立元件，使用大功率、高速三極管推挽輸出可以使放大器的輸出功率很高，驅(qū)動能力較強(qiáng)，但這種電路溫度漂移嚴(yán)重，低頻及直流時(shí)會嚴(yán)重影響輸出效果。若采用2片運(yùn)放分別連接成同相和反相放大，通過差分取出信號，可以實(shí)現(xiàn)2倍于運(yùn)放輸出的信號，但這種電路對運(yùn)放相位要求較高，而且輸出信號為浮地。若采用專用的大電壓、高驅(qū)動電流反饋型集成運(yùn)放芯片，本項(xiàng)目要求頻帶很寬，且輸出高電壓時(shí)輸出的電流很大，一般很難找到這類芯片。為滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步擴(kuò)大輸出電流，本文采用2片同樣的電流反饋型運(yùn)放THS3092并聯(lián)輸出。

　　THS3092是雙路高壓低失真電流反饋型運(yùn)算放大器，可提供電壓為±15 V的線性功率放大，最大輸出電流為250 mA(2片并聯(lián)可達(dá)到500 mA)，轉(zhuǎn)換速率高達(dá)5700 V／ns，放大6 dB時(shí)帶寬為160 MHz，能夠滿足10MHz帶寬和高速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)輸出電壓從O V變化到15 V時(shí)，其電壓變換時(shí)間約為1 ns，完全能夠滿足高頻信號輸出不失真的要求。

　　功率放大電路如圖4所示。采用2片THS3092構(gòu)成兩級同相電壓放大電路和一級運(yùn)放并聯(lián)輸出擴(kuò)流電路。每級放大電路增益A=R1／R2+1=2倍(6dB)，3級共18dB，最大可輸出峰峰值電壓28V。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件主要包括3部分：放大器增益及截止頻率的設(shè)置、增益校準(zhǔn)、人機(jī)交互。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。程序開始運(yùn)行后可通過按鍵選擇增益校準(zhǔn)、電壓增益設(shè)置、截止頻率設(shè)置等。

　　4 系統(tǒng)測試分析

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，為了驗(yàn)證寬帶直流功率放大器的指標(biāo)，采用SKl731型直流穩(wěn)壓電源、PM5139型20 MHz數(shù)字信號源、TDS1012型300 MHz數(shù)字示波器、VC9806型4位半數(shù)字萬用表等，對該系統(tǒng)的增益設(shè)置、通頻帶內(nèi)增益起伏、帶寬頻率特性、輸出噪聲電壓、放大器效率等進(jìn)行了測試。

　　4．1 增益測試

　　輸入有效值10 mV、頻率為1 MHz的正弦波信號，輸出接50Ω負(fù)載，從0 dB開始增大放大器增益，步進(jìn)為1 dB。用示波器測試輸出電壓，計(jì)算增益誤差。測試可得，輸出增益在0～60 dB內(nèi)連續(xù)可調(diào)，增益誤差最大為0．4 dB，最大輸出有效值為10．1 V。

　　4．2 通頻帶內(nèi)增益起伏測試

　　輸入有效值為10 mV的正弦波信號，輸出接50Ω負(fù)載，將放大器增益設(shè)置為60 dB，從0 Hz開始增大輸入信號頻率，步進(jìn)為1 MHz，用示波器測試輸出電壓，計(jì)算增益誤差。測試可得，在0～10 MHz頻帶內(nèi)最大增益起伏為0．5 dB。

　　4．3 帶寬頻率特性測試

　　輸入有效值為10 mV的正弦波，輸出接50 Ω負(fù)載，將放大器增益設(shè)置為60 dB，分別預(yù)置截止頻率為5 MHz、10 MHz，從0 Hz開始增大輸人信號頻率，步進(jìn)為1 MHz。用示波器測試輸出電壓，計(jì)算增益誤差。測試可得：在預(yù)置5 MHz通頻帶時(shí)5 MHz頻帶處增益衰減為2．9 dB，O～4 MHz內(nèi)最大增益起伏為O．5 dB；在預(yù)置10 MHz通頻帶時(shí)10 MHz頻帶處增益衰減為2．8 dB，0～9 MHz內(nèi)最大增益起伏為O．5 dB。

　　4．4 放大器效率測試

　　輸入有效值為10 mV的正弦波，輸出接50 Ω負(fù)載，調(diào)節(jié)放大增益為60 dB，將放大器正負(fù)供電電源均串入直流電流表，測得負(fù)載兩端電壓有效值為10 V，正電源電流為O．133 A，負(fù)電源電流為0．063 A?？捎?jì)算出效率為68．O％。

　　4．5 測試結(jié)果分析

　　通過以上測試，可以看出該放大器成功解決了現(xiàn)有放大器在寬帶、直流、功率放大很難兼顧的問題，完全達(dá)到了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求。究其原因，以下幾點(diǎn)很重要：在設(shè)計(jì)放大器供電電源去耦時(shí)采用π型電感、電容網(wǎng)絡(luò)，該去耦網(wǎng)絡(luò)對各頻段的電源噪聲都有良好的抑制效果；精心考慮放大電路的PCB布板，采取部分敷銅而不是全部敷銅，減小了寄生電容，使電路工作更穩(wěn)定；電路板間信號傳輸采用帶高頻屏蔽線的線纜，減小了信號的串?dāng)_；在信號輸入端采用SMA頭加高頻屏蔽罩進(jìn)行信號的連接，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。

　　結(jié)語

　　本文結(jié)合現(xiàn)在一般放大器的設(shè)計(jì)方案及存在的問題，論述了程控寬帶直流功率放大器各單元電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法，提出大動態(tài)范圍、低失真的程控寬帶直流放大器的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法。測試結(jié)果表明：該方案較好地解決了增益、直流寬帶、功率等放大器關(guān)鍵參數(shù)的矛盾，實(shí)測的系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。