基于AD603數控高增益寬帶放大器的設計

唐雁峰，李洪祚，李銳

(長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022)

隨著電子技術、通信技術迅速發展，高增益寬帶放大器在科研中的重要作用越來越突出。寬帶運算放大器廣泛應用信號處理、視頻放大器等電路。這些電路不僅要求放大器有寬帶寬，還要求具有高的放大增益。

1 放大器增益帶寬積

對于放大器而言，增益和帶寬是其非常重要的兩個指標，而增益和帶寬又是一對互相矛盾的參數，放大電路的增益隨著頻率的增加反而降低。用增益和帶寬的乘積作為放大器的幅頻特性參數可以求得應用頻率范圍內的最小增益。增益帶寬積是放大器的一項重要指標，由運放的內部結構決定的，當增益增大的時候，相應的帶寬就會因為運放的內部影響而減小；同時，帶寬增大的時候，其相應的增益就會減小，但積是一個常數。

若放大器帶寬為F，其上限截止頻率=x，下限截止頻率=y；那么在3dB的增益下，電壓放大倍數AU為：

則Po是放大器輸出功率，Pi是放大器輸出功率。

2 系統設計方案

實現增益超過60dB、寬帶超過4MHz的放大器。只用一級放大無法滿足，因此本設計采用多級放大器級聯的形式，考慮到放大器的低頻特性，多級放大采用直接耦合的方式級聯。利用 AVR單片機實現增益的數控，可以通過鍵盤完成放大增益的設置、步進調節，并通過液晶屏幕顯示當前的增益狀態。峰值檢波電路，ADC轉換電路和單片機構成了增益穩定自動控制電路，實時監測放大增益的波動，保證放大器當前設置增益的穩定性。由于三級放大器與兩級放大器相比，增益大，帶寬小，因此，本設計特別設計了由單片機控制的聯動開關，可選擇兩級或三級放大，以滿足不同的增益、帶寬需求。

圖1 高增益、寬帶放大器原理框圖Fig.1 Basic block diagram of a high gain and wide bandwidth amplifier

2.1 兩級放大電路設計

AD603是一款8個引腳的高增益、帶寬可調放大器。其最大增益實現50dB，帶寬最大90MHz。通過改變5腳和8腳之間的反饋電阻，可以改變其帶寬；調節1腳和2腳之間的電壓可以改變放大增益。帶寬在90MHz的時候，增益可以達到-10～30dB；帶寬為30MHz的時候，增益可以達到0～40dB；帶寬為9M的時候，增益可以達到10～50dB。

但是如果只用一個 AD603的話，其帶載能力差，而且增益調節范圍有限。因此采用兩個AD603級聯，其中第一級放大器以低放大倍數保證帶寬，第二級放大器主要實現高增益放大。

其中VG為1腳和2腳間電壓。

圖2 兩級AD603放大電路圖Fig.2 Circuit of two-stage AD603 amplifier

采用數控方式實現放大器增益的調節，如果分別調節每個AD603的增益，則使數控變得復雜，且可靠性降低。本設計采用如圖2電路連接方式，將第一級放大器2腳電壓設置為固定值0.5V，將第二級放大器2腳電壓設置為固定值1.5V。增益數控電路中DAC的輸出電壓同時接到第一、二級放大器的1腳，同時控制兩級放大器的增益。兩級放大器的增益變化如圖3所示，可實現增益從0到60dB連續線性調節。

圖3 兩級放大器增益隨與控制電壓變化Fig.3 Change of gain with control voltage

2.2 第三級放大電路設計

AD603的供電電壓最大為±6.2V，因此由兩級AD603放大的信號幅度最大為5V左右，如果放大器增益設置為60dB，則其輸入信號最大為5mV，放大器允許的輸入信號太小，不利于實際使用。AD811是一款視頻驅動放大器，其放大增益最大為12dB，供電電壓±18V，因此放大信號幅度可達到15V左右。作為視頻驅動放大器，具有較強的帶載能力，可以驅動50負載。其放大增益將AD811的增益設置為2倍，以保證其帶寬。

第三級放大器的加入使整個放大器的帶寬比兩級放大器減小。為了適應不同輸入信號對增益、帶寬、信號幅度的需要，采用數控兩路聯動開關，可以在兩級或三級放大方式間切換，適應不同的放大需要。

2.3 增益自動控制電路設計

采用數控方式實現增益自動控制，由峰值檢波電路取樣輸出電壓，再由 ADC0809將取樣電壓轉換為數字信號送由單片機處理，DAC0832將單片機提供的數字信號轉換為控制電壓同時提供給兩路AD603，以保證放大器增益的穩定性。三極管的基極由單片機控制，產生10s的高電平使電容放電，以減少前一頻率測量對后一頻率測量的影響，提高幅值測量精度。

圖4 峰值檢波電路原理圖Fig.4 Circuit schematic diagram of peak detection

2.4 增益數控調節電路設計

的創新點之一是采用數控方式進行放大器增益的調節。利用 DAC0832所產生的電壓，控制兩級AD603的1腳，以改變放大增益。通過鍵盤可以預設放大增益，實現放大增益0～60dB間5dB步進調節。

3 數控單元設計

圖5 程序流程圖Fig.5 Flow chart of software

采用AVRmegal16單片機作為處理器，完成對增益的自動控制、增益調節等功能。其軟件流程如圖5所示。

4 測試結果

本設計的放大器，實現了增益的數字控制調節，控制電壓與增益(dB)在有效帶寬內成線性關系，如圖6。

圖6 增益變化曲線Fig.6 Curves of gain with control voltage

輸入信號有效值 10mV，放大器增益為 40dB時，其有效頻率范圍為4Hz～6MHz，在1KHz～5MHz內，其增益變化<1dB，如圖7。

圖7 增益40dB時帶寬曲線Fig.7 Curves of bandwidth with 40dB

在輸入信號有效值5mV，放大器增益為60dB時，其帶寬為4Hz～4.4MHz，在通頻帶1KHz～3.8MHz內，其增益變化<1dB，如圖8。

圖8 60dB增益帶寬曲線Fig.8 Curves of bandwidth with 60dB

5 結論

本設計采用三級放大器直接耦合級聯方式，低頻特性較好，下限頻率可以達到幾個赫茲，帶寬大，可以達到6MHz；放大器增益調節范圍大，可放大60dB，增益的穩定控制實現自動化，增益調節數控化；放大器輸出電阻小，驅動能力強。該放大器可廣泛應用于弱信號處理電路，視頻驅動電路。

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