寬帶直流放大器

孫健興，馬正亞，王 汪

（武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢 430079）

在現代電子設備、通訊設備和科研生產中常需要利用放大電路將傳感器輸出的微弱信號或通信接收端接收到空中微弱的信號進行提取、放大。只有將信號放大到一定程度才能滿足后級設備的要求，使分析結果正確。同時很多設備還要求具有一定輸出功率，才能驅動后級設備或使通信的發射端將信號有效傳輸到接收端。然而面對多種多樣的放大要求，現在的放大電路難以在頻帶、增益動態范圍、功率等參數滿足設計要求。為此，這里設計一種寬帶直流放大器，該直流放大器的頻率從0 Hz到10 MHz，增益調節范圍為0～75 dB，帶寬可設置為5 MHz或10 MHz兩種，后級功率放大電路可輸出20 V的峰峰值。該系統成本低廉，精度高，滿足一般生產科研實驗要求，可應用于多種場合，具有推廣性。

1 系統設計方案

1.1 可控增益放大[1]

可控增益放大由可變增益放大器（VGA）AD603實現的。AD603具有單通道、寬頻帶、低噪音、低畸變、高增益精度等特性，其內部是由R-2R梯形電阻網絡和固定增益放大器構成，施加在其梯型網絡輸入端的信號經衰減后，由固定增益放大器輸出，增益量是由增益控制接口參考電壓決定；而該參考電壓是通過單片機進行運算并控制D/A轉換器輸出其控制電壓來獲得的，從而實現較精確的數字控制。此外AD603能提供由直流到30 MHz以上的工作帶寬。電路集成度高，易于單片機控制，穩定性好，滿足系統要求。

1.2 后級功率放大

采用多片集成運算放大器并聯組成后級功率放大電路，通過改變放大器的增益實現不同倍數放大，多片放大器并聯可提供較大的輸出電流。多片集成運算放大器并聯放大電路結構較為簡單，易于實現，且輸出波形可無明顯失真。該系統選用高壓低失真電流反饋型放大器THS3091，最大驅動電流可達 350 mA，3片THS3091最大可提供為 1 050 mA的電流，完全滿足系統設計要求。

1.3 濾波電路[2]

根據系統設計要求，需要一個5 MHz和10 MHz的低通濾波器，一般集成濾波器和有源濾波電路都難以達到上述帶寬要求，且價格高。因此，該方案采用七階無源橢圓濾波器，該濾波器具有結構簡單、成本低廉、帶寬大，穩定性好，波動小等特點。并利用濾波器設計軟件filter solution快速設計出通帶波動小阻帶衰減大的濾波器。

2 系統硬件電路設計

系統總體設計方案如圖1所示，該系統由前級信號調理電路、可控增益電路、加法器電路[3]、濾波選擇電路、后級程控放大電路和后級功率放大電路組成。

圖1 系統總體設計框圖

該系統設計的前級信號調理電路可對輸入信號進行阻抗匹配以及10倍放大，以提高輸入信號的信噪比；可控增益放大電路是以AD603為核心組成的，可對輸入信號實現-10～+30 dB的放大；加法器電路可實現對信號的零點漂移的有效調節，從而抑制零點漂移；以繼電器為核心的濾波器選擇電路可實現對信號的帶寬為5 MHz或10 MHz的選擇；由MAX309和THS3091組成的后級程控放大電路可對信號分別實現 0.01，0.5，5，10倍的放大； 功率放大電路由 3片THS3091并聯構成，驅動50 Ω負載，輸出信號峰-峰值可達20 V且無明顯失真。

2.1 可控增益放大電路[4]

可控增益放大電路是以可變增益放大器AD603為核心，信號直接輸入AD603的引腳3，引腳2輸入偏置電壓，并聯10 μF電容構成低通濾波器濾除輸入電壓噪音，引腳1的電平通過16位高精度D/A轉換器MAX541來調節增益放大，該的基準電壓是MAX6225的輸出電壓。AD603的5引腳與7引腳短接使其工作增益范圍為-10～+30 dB，帶寬為90 MHz狀態下，而其供電電壓通過10 μF和0.1 μF并聯接地去耦，提高系統穩定，抑制自激，如圖2所示。

圖2 可控增益放大電路

2.2 后級程控放大電路

后級程控放大電路主要由模擬開關MAX309和THS3091構成，MAX309導通電阻約100 Ω，可通過10 MHz以上的信號，容性負載小，使用方便，易于編程，可通過FPGA對MAX309進行開關選通，前級為同相放大，放大倍數為2倍，有利于信號隔離和傳輸，提高驅動負載能力，該電路可對輸入信號實現0.01、0.1、1、10倍的放大，如圖3所示。

圖3 后級程控放大電路

2.3 后級功率放大電路

后級功率放大電路由3片THS3091并聯構成，±15 V供電時，最大輸出電壓峰峰值可達20 V，根據該器件數據資料，THS3091輸出電流最大可達350 mA，為了達到輸出功率的要求，使用3個THS3091進行并聯，負載電阻由4只200 Ω電阻并聯組成。信號由同相端輸入，增益設置為3.8倍，起到隔離和放大信號的作用，如圖4所示。

圖4 后級功率放大電路設計

3 系統軟件設計

本系統軟件部分由以單片機[5]為核心的最小系統構成，進入歡迎界面后通過ENTER鍵可進入主菜單界面。通過不同的按鍵可選擇不同的軟件設置，系統軟件設計有兩檔校準放大電路中零點漂移，自動校準和手動校準。按鍵2可對放大系統帶寬進行選擇，按鍵3可選擇增益調節方式為手動連續調節，按鍵4可對電壓增益進行預置，預置范圍為 0～75 dB，步距為5 dB。對系統所有設置可實時顯示，人機交互界面友好，軟件設計詳細流程如圖5所示。

圖5 系統軟件流程設計

4 測試方案與測試結果

4.1 測試條件

對該帶寬直流放大器在28℃室溫的環境下進行測試，其而測試儀器及型號如下：直流穩壓電源，SG1733SB3A；60 M示波器，Tektronix TDS1002； 數字信號源，Tektronix AFG310；PC機，聯想Windows XP；仿真機，E51/S偉福仿真機。

4.2 測試結果

表1給出在放大器的通頻帶為5 MHz，輸入信號有效值為20 mV，預置增益放大為40 dB的測試條件下，改變其輸入信號的頻率，所測得的輸出信號的峰峰值；表2給出在放大器的通頻帶為10 MHz，輸入信號有效值為5 mV，預置增益放大為60 dB的測試條件下，改變其輸入信號的頻率，所測得的輸出信號的峰峰值。其最大輸出電壓峰峰值為20 V。

表1 5 MHz帶寬下，寬帶放大器幅頻特性測試數據

表2 10 MHz帶寬下，寬帶放大器幅頻特性測試數據

5 結束語

以VGA AD603為放大器核心的寬帶直流放大器，實現了對 0～10 MHz正弦信號的0～75 dB放大，帶寬可設置為5 MHz或10 MHz兩種，在50 Ω負載下最大輸出電壓峰峰值為20 V。如果采用MSP430F449代替以單片機AT89C55WD和FPGA構成的最小系統的控制可以增加性價比，同時可進一步減小噪聲。后級功率放大電路可采用±18 V代替±15 V，可進一步將信號的峰峰值提高到28 V以上，同時后級應采取一些保護措施（如加風扇）減小后級電路的溫度，增強系統穩定性。該系統設計采用PCB制作，可增加抗干擾性，抑制自激，具有廣泛的市場空間。

[1]Analog Devices Inc.AD603 Data sheet[EB/OL].2003.http://www.analog-g.com/productSe-lection/pdf/AD603_pra.pdf.

[2]阿瑟·B·威廉斯.電子濾波器設計手冊[M].喻春軒，譯.北京:電子工業出版社，1986.

[3]謝自美.電子線路設計實驗測試 [M].2版.武漢:華中科技大學出版社，2003.

[4]黃根春，陳小橋，張望先.電子設計教程[M].北京:電子工業出版社，2007.

[5]李朝青.單片機原理及接口技術[M].北京:北京航空航天大學出版社，1999.

[6]董尚斌，蘇利，代永紅.電子線路（一）[M].北京:清華大學出版社，2007.