摘要：本文設計并制作了0～15 MHz帶寬的寬帶放大器，放大器可放大不低于1 mV的有效值信號，增益0～80 dB預設或手動可調(diào)，最大輸出電壓峰峰值為42 V，在通頻帶范圍內(nèi)起伏增益1 dB左右，放大器在增益為60 dB的時候，輸出噪聲電壓的峰叫峰值為200 mV，通過單片機控制可以實現(xiàn)電壓增益和放大器的帶寬可預置并顯示的功能。整個系統(tǒng)工作可靠、穩(wěn)定，而且成本低、效率高。
關鍵詞：寬帶放大器；高增益；可鳊程；單片機；VCA810
引言
在自動控制及自動測量系統(tǒng)中，需要把一些非電量(如溫度、轉(zhuǎn)速、壓力)等參數(shù)通過傳感器轉(zhuǎn)變成電信號，這些微弱的電信號經(jīng)放大后就可以推動測量、記錄機構或控制執(zhí)行機構，從而實現(xiàn)自動控制或自動測量。
本文設計的放大器具有低噪聲、高增益的特點。整體設計要求放大器的最大電壓增益為80 dB，輸入電壓有效值Vi≤10 mV。在Av=60 dB時，輸出端噪聲電壓的峰-峰值VONPP≤0.3 V，3 dB通頻帶0～5／10 MHz可選。在通頻帶內(nèi)增益起伏≤1 dB，負載電阻(50±2)Ω，最大輸出電壓正弦波有效值Vo≥10 V，輸出信號波形無明顯失真。
1 系統(tǒng)總體設計及理論分析
1．1 系統(tǒng)總體設計
本系統(tǒng)可分為4個模塊，如圖1所示。第1部分為輸入緩沖和固定增益放大模塊，運放搭建電壓跟隨器作為輸入緩沖，同時提高輸入阻抗，固定增益放大部分將輸入的微弱信號放大到適合后級處理的電壓范圍；第2部分為分檔濾波模塊，設計有5 MHz、10 MHz兩個低通濾波器，通過低噪聲繼電器切換，滿足帶寬可預設的要求；第3部分為可控增益放大模塊，實現(xiàn)80 dB的動態(tài)增益變化；第4部分為功率放大模塊，驅(qū)動50 Ω負載。
本系統(tǒng)的難點在動態(tài)增益和功率輸出兩個方面，下面對其進行理論分析。
1．2 動態(tài)增益的理論分析
設計指標要求增益動態(tài)范圍為80 dB，將80 dB分配在固定增益放大、可控增益放大和功率放大3個模塊。先確定可控增益放大模塊的增益動態(tài)范圍，就可以方便地分配另兩個模塊的增益。
由于VCA810的線性增益調(diào)節(jié)范圍為-40～40 dB，如圖2所示。但經(jīng)實際電路測試當增益高于30 dB時，電路容易出現(xiàn)自激振蕩，此處采用兩級VCA810級聯(lián)的方式實現(xiàn)-40～40 dB的動態(tài)范圍。固定增益放大器增益設定為10 dB。以THS3001為核心的后級功放電路增益設定為30 dB。因此，該系統(tǒng)增益調(diào)節(jié)范圍為0～80 dB。
1．3 運放擴壓輸出的理論分析
當系統(tǒng)負載電阻為(50±2)Ω時，最大輸出電壓Vo≥10 V，則由公式P=U2／RL，可得，系統(tǒng)輸出功率的最大值為Pmax=102／(50-2)=2．08(W)。經(jīng)前置放大和中放電路放大后，不具備驅(qū)動負載的能力，需經(jīng)末級功率放大電路放大后才能達到系統(tǒng)對輸出功率的要求。
考慮到除高壓運放以外，一般運放的最大輸出電壓在供電電壓為±15 V時僅有±12 V左右，不能滿足輸出10 V有效值的要求。此處采用浮動運放電源電壓的方法將輸出電壓幅度擴展，利用互補對稱功放電路將輸出電流增大。
運算放大器的常規(guī)電源供電方式如圖3(a)所示。電源供電直接取自穩(wěn)壓電源如圖3(b)所示，運放的供電電壓不再直接取自穩(wěn)壓電源，而是由兩個三極管的發(fā)射機提供。R1=R2=R3=R4，忽略VBE壓降，則運放的供電電壓為：
由于三極管的作用，運算放大器的供電電壓隨輸出電壓的變化而變化，但是運放的正負供電電壓之差則保持不變。
經(jīng)Multisim軟件仿真，將圖3中兩種運算放大器的最大輸出電壓進行比較，兩電路均設置為放大10倍的反相放大器。仿真結果顯示，圖3(b)電源接法放大器最大輸出為±24 V左右，圖3(a)常規(guī)電源接法放大器的最大輸出電壓為±12 V左右。圖4(a)為最大不失真輸出電壓的波形，此時的輸入電壓為土2．5 V，頻率為1 MHz，圖4(b)為同樣輸入±2．5 V、1 MHz信號時的輸出波形，可見信號已經(jīng)嚴重截止失真。
2 核心硬件電路設計
2．1 可變增益電路
可變增益模塊選用TI公司的高增益可調(diào)寬帶壓控放大器VCA810，其特性包括高增益可調(diào)范圍-40～+40dB，增益控制準確度±1．5 dB(高精度型號為±0．9 dB)，差分輸入單端輸出，不變的增益帶寬35 MHz，dB／V增益線性度±0．3 dB，增益控制帶寬25 MHz，低輸出DC誤差小于40 mV，高輸出電流±60 mA，低工作電流24．8 mA。
VCA810的工作原理是通過對其引腳3施加直流電壓來控制增益的大小?？刂齐妷号c增益的函數(shù)關系式為：
當Vc從0 V變化到-2 V時，增益從-40 dB線性地變化到+40 dB。另外，當Vc電壓超過0 V時，增益為-80 dB。
VCA810電路原理圖如圖5所示，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此處采用兩片VCA810級聯(lián)實現(xiàn)80 dB的動態(tài)范圍，增益控制方式有手動和預設兩種。
當工作在手動模式時，通過電位器分壓來提供Vc信號，當工作在預設模式時，通過鍵盤輸入增益值，然后經(jīng)過單片機D／A輸出提供Vc信號。
2．2 功率放大電路
此模塊要對前級可控增益放大模塊輸出的信號進行功率放大，最后驅(qū)動50 Ω的負載電阻。如圖6所示，此處設計利用前文分析到的運放擴壓輸出電路先對信號進行電壓放大，然后進行電流放大，繼而完成功率放大的功能。
THS3001具有高達6 500 V／μs的轉(zhuǎn)換速率，420 MHz的-3 dB帶寬和良好的帶內(nèi)平坦度，在110 MHz時，增益僅下降0．1 dB；大信號應用時具有40 ns的建立時間；差分增益誤差小于0．01％，差分相位誤差小于0．02％；非線性失真小于-96 dB；電源電壓可在±4．5～±15 V之間選擇。
電流放大部分采用MOSFET IRF9610和IRF610搭建的甲乙類放大器放大THS3001輸出的信號，電路如圖6所示。IRF610、IRF9610屬于Vishay公司的第3代Power MOSFET，為設計者提供了轉(zhuǎn)換快速、堅固耐用、低導通阻抗和高效益的強力組合。
3 測試
3．1 測試條件
在室溫25℃，普通實驗室條件下，采用掃頻儀對系統(tǒng)進行幅頻特性測試，采用信號源、示波器對系統(tǒng)的放大倍數(shù)進行測試。
3．2 測試方案及數(shù)據(jù)
通過函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生0～15 MHz有效值1 V的正弦波，然后經(jīng)過-40 dB衰減器，產(chǎn)生有效值為10 mV的待測信號。通過按鍵輸入放大器預設增益，用雙蹤示波器分別觀測系統(tǒng)輸入和輸出信號的大小。圖7為部分測試結果的折線圖，系統(tǒng)最大增益達80dB，帶內(nèi)增益起伏小于1dB。
在增益為40 dB時，增大輸入信號幅度，觀察50 Ω負載上的最大不失真輸出信號幅度，經(jīng)測試，最大不失真電壓峰峰值為42 V。
在增益為60 dB時，將輸入端與地短接，測出輸出端噪聲電壓的峰峰值為0．2 V。
3．3 測試結果分析
由以上數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)在輸出功率方面有良好的性能，輸出功率可達4．41 W，超過設計指標2 W的要求。最大不失真輸出電壓為峰峰值42 V，比Multisim軟件仿真最大不失真輸出電壓峰峰值48 V小6 V，考慮到三極管參數(shù)不完全對稱等器件的實際情況，此結果可證明改進型運放供電電路切實有效。可變增益范圍為0～80dB，若在VCA810模塊中增加頻率補償和前后匹配等相關措施，增益動態(tài)范圍仍可進一步擴展，80 dB時失真度仍然很小，有進一步提高增益的可能性。0～60dB增益范圍內(nèi)系統(tǒng)的噪聲抑制特性良好。測試過程中的誤差主要來源于電磁干擾，以及信號源的噪聲電平。
結語
寬帶放大器以壓控增益放大器VCA810和超高速電流反饋放大器THS3001為核心，利用數(shù)字技術實現(xiàn)增益的預設，總增益范圍為0～80dB，通頻帶為0～15 MHz，最大輸出電壓峰峰值達42 V。前置放大器采用低噪聲電壓反饋寬帶放大器OPA2690，大大提高輸入電阻。后級功率放大采用運放擴壓和擴流輸出電路，有效地提高了系統(tǒng)的帶負載能力。
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