一种高增益步进可调的宽带直流放大器设计

【摘要】设计了一种宽带直流放大器。该系统采用两级宽带压控可变增益放大器AD603和高精度、高分辨率的12位数模转换器TLV5638实现可靠的高增益及增益高精度连续步进可调。输出级采用大电流输出运放THS6022，以提高带负载能力和输出电压。在带宽选择上，使用高速运放构成有源滤波器和高灵敏的信号切换继电器实现不同带宽设置。该系统采用了抗干扰措施有效地减少噪声、电源纹波并抑制自激。经测试，系统增益最小0dB，最大增益80dB，步进1dB，并可预置增益，误差小于0.2dB，通过有效散热、增益调整，使得在50Ω负载下最大输出电压有效值能达到10V，并稳定工作。该系统在自动化要求较高的系统中具有较好的实用性。

【关键词】增益;步进;宽带;放大器

1.引言

随着通信技术和微电子技术的发展，宽带放大器在科学研究、生产应用中扮演着重要的角色[1]。宽带放大器主要应用于音响设备、有线电视、无线通信系统中，宽带通信技术的日益发展对宽带放大器的技术指标要求也逐渐增加。由于宽带放大器具有低噪声、低非线性失真以及良好的匹配性等特点，目前已广泛应用现代无线接入技术和远程通信系统[2]。

传统宽带放大器的设计主要采用分立元件实现，如场效应管或三极管。为提高放大倍数多采用多级放大电路实现。由于大量采用分立元件，硬件电路本身比较复杂，致使工作点难以调整，电路重要的技术指标如增益控制和高带宽具都难以实现，特别对增益的定量调节复杂繁琐[3]。本文采用集成芯片宽带压控可变增益放大器AD603和大电流输出运放THS6022，设计了一款高增益、步进连续可调的宽带放大器。

2.系统设计

本文系统框图如图1所示，采用AT89S52单片机作为控制核心，采用红外遥控进行增益输入及带宽切换，显示模块采用TG12864，该模块具有可视面积大，美观大方等优点。放大电路主要由可控增益模块、滤波器电路和固定增益驱动模块构成。其中可控增益模块由2块AD603和1块12位DAC芯片构成，通过单片机运算控制12位的高精度D/A芯片输出，能够减少步进间隔和提高步进精度。单级AD603能提供直流到90M的带宽，两级级联最大可提供60M的带宽，这个带宽与增益无关，从而能够提供-20dB—60dB的增益，再通过后级提供20dB的增益，从而能达到0-80dB的增益。滤波器电路采用AD5058构成贝塞尔型滤波器，能无失真地传送诸如方波、三角波等频谱很宽的信号。固定增益驱动模块由AD811和THS6022构成，先使用AD811放大电压，再利用THS6022放大电流，提高带负载的能力。

图1 系统框图

3.单元电路设计

3.1 增益控制部分

增益控制部分装在铝盒内，屏蔽外界的的干扰，盒内采用多点就近接地的方法来避免自激。全部的电容电阻采用帖片封装，输入连线尽可能短，信号走线走直线。用电阻分压将AD603第二脚的电压抬高0.5V，以便使用D/A输出控制电压控制增益，此时D/A只要输出0～1V便可控制两级AD603增益在-20dB～60dB变化。

单级AD603增益和控制电压的关系为式（1）：

AG（dB）=40U+10                 （1）

两级AD603增益和控制电压的关系为式（2）：

AG（dB）=40U1+40U2-20             （2）

两片AD603级联后，带宽会下降，两级AD603级联后的总的3dB带宽对应单级AD603的1.5dB带宽。而单级AD603带宽是90M，因此级联后的AD603带宽为60M。电路如图2所示。

图2 增益控制电路

3.2 功率放大部分

从前级出来的信号只有4Vpp，输出到有效值10V，后级需放大7到8倍。先用AD811对前级进行电压放大，提高幅度，用TI公司的大电流输出运放THS6022提高带负载能力。电路如图3所示。

图3 功率放大电路

3.3 滤波器设计

滤波器电路采用AD5058构成贝塞尔型滤波器，电路如图4所示。贝塞尔型滤波器的衰减特性很差，它的阻带衰减非常缓慢。但是，这种滤波器的相位特性好，因而对于要求输出信号波形不能失真的场合非常有用。于是本文设计滤波器采用贝塞尔型，其具有通带内延时特性最平坦，能够无失真的传送诸如方波、三角波等频谱很宽的信号。

图4 滤波电路

3.4 直流稳压电源电路设计

将220V市电经过变压、整流电路后，采用常见的稳压集成电路LM78××、LM79××系列稳压。在额定功率范围内，电压可以保持稳定，但即使经过良好的滤波处理，输出纹波仍较大，会给电路前级带来噪声干扰，为此将其与运放组成的高级伺服电源给AD603供电，性能堪比蓄电池。在高电压部分采用LM317、LM337稳压，在典型运用上加以改进可得到输出波纹极小的电压，功率也可满足要求。电路如图5所示。

图5 电源电路

4.系统软件设计

本系统以AT89S52单片机作为控制核心，实现对放大器电压增益、带宽的控制和显示。软件流程如图6所示。

图6 软件流程图

5.测试方案与测试结果

5.1 测试方法

将电路总体连接起来，先调整0dB，使信号等幅度输出。然后接上50Ω负载，测试手动调整增益并记录增益调整范围及带宽。最后进行预置增益与实测增益进行对比，以便于采用软件进行微调。

5.2 测试条件

（1）示波器：SS-7802A;

（2）信号源：TFG2050V;

（3）万用表：DT9972。

5.3 测试结果

（1）输入阻抗

电路的设计保证输入阻抗大于50Ω的电阻，满足要求。

（2）直流伺服电源的测量

测量输出电压，达到设计要求。用示波器测量输出电压波纹，输出波纹极小，只有0.5mV。完全能满足题目要求。

（3）输出噪声电压测量

增益调到79dB。将输入端短路时输出电压峰峰值为120mV左右。输出噪声电压电压峰峰值小于0.3V。

（4）频率特性测量

将通频带调到5MHz。增益设为40dB档，输入端加入10mV正弦波，由于信号源不能保证不同频段的10mV正弦波幅度稳定，因此每次测量前先调节信号源使信号源输出幅度保持在10mV左右，在测量输出信号。测量的数据如图7所示（2Hz表示直流）。

图7 频率特性测量（增益设为40dB档）

由图7数据可以得到在3dB通频带0～5MHz，在0～4MHz通频带内增益起伏≤1dB。带宽设置有效，满足设计要求。

将通频带调到10MHz。增益设为60dB档，输入端加入10mV正弦波。测量的数据如图8所示（2Hz表示直流）。

图8 频率特性测量（增益设为60dB档）

由图8数据可以得到在3dB通频带0～10MHz，在0～9MHz通频带内增益起伏≤1dB。带宽预置有效，基本满足设计要求。

（5）增益误差测量

通频带预置为10MHz，输入端输入有效值10mV，频率为1MHz的正弦信号，保持输入幅度稳定，然后预设增益值测量输出信号来计算误差。测试的数据如表1所示。

表1 增益误差测量表

6.结论

从指标来看，系统设计各项指标都达到或超过了设计要求，实现了高增益、步进连续可调要求，尤其是输入电压峰峰值可以小到1mV，最大增益可达80dB。本设计偏重于模拟电路设计，采用合理的布线技术，采取有效的屏蔽抗干扰措施，得到很高的增益和极小的噪声。

参考文献

[1]王国伟，施树春.可编程宽带运算放大器的设计与实现[J].武汉理工大学学报，2008，30（3）：378-385.

[2]聂震，莫波，杨宗霖.宽带直流放大器的增益控制设计与研究[J].单片机与嵌入式系统应用，2014（3）：35-38.

[3]王启君，薛波，杨娟，等.宽带直流放大器设计[J].江苏技术师范学院学报，2010，16（3）：31-34.

项目资助：湖南工学院本科教学工程建设项目资助（项目编号：A1323;H1319）。

作者简介：

李文剑（1991—），男，山东寿光人，大学本科，现就读于青岛理工大学自动化工程学院自动化专业。

王小虎（1981—），男，湖南岳阳人，研究生，湖南工学院电气与信息工程学院副教授，研究方向：信号处理。

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