增益帶寬可調放大器

楊 曌

（東南大學，211189）

0 前言

在實際應用中，需要放大的信號往往在一定頻率范圍內變化，顯然，帶寬和增益是放大器的兩個重要指標。低噪聲、寬頻帶、高效率的放大器設計在工業中經常出現，并且要求的指標不斷提高。本文介紹一款前級為可變增益放大器(VGA)AD603 調節增益，后級為電流反饋型運放THS3091 放大功率，并采用負反饋思想抑制零點漂移問題的設計方案，此方案還采取多種措施來抵抗干擾，降低噪聲，獲得很好的效果。

1 設計的主要技術指標

2.1 放大器電壓增益Av ≥40dB，在0～40dB 范圍內手動連續調節，或5dB 步距調節；

2.2 在最大增益下，放大器可過直流，可（1MHz、2MHz、4MHz 三點）預置并顯示，并盡量減小帶內波動，衰減斜率≥-40db/ 十倍頻；

2.3 在50Ω 的負載上，放大器最大不失真輸出電壓峰峰值≥10V。

2.4 放大器輸入為正弦波時，可測量并數字顯示輸出電壓的峰峰值和有效值，輸出電壓（峰峰值）測量范圍為0.5～10V，相對誤差小于5% ；

2 理論分析與方案選擇

綜合分析設計指標，主要難點共有三個方面：一是在較寬的帶寬內實現較大的放大能力，且以兩種方式調節增益;二是保證實現要求的功率輸出；三是放大電路的零點漂移問題，因為帶寬下限為0Hz，高精度放大器必須最大程度解決零點漂移。

2.1 帶寬增益積

2.2 放大器穩定性

為了使放大器穩定，設計時不能接近自激振蕩的條件：幅度平衡條件|AF|=1，相位平衡條件φA+φF=π 和起振條件|AF| 略大于1，留有裕量越大，放大器愈不易產生自激振蕩，但設計也就愈困難。

對于電壓反饋型運放AD603，人為引入電阻、電容，使它在原自激振蕩頻率處產生附加相移，不再滿足自激條件。對于電流反饋型運放THS3091，采取注意走線布局、選用合適反饋電阻，使其不因阻值過大而產生大分布電容或降低帶寬。

2.3 負反饋抑制零點漂移

零點漂移是放大器輸入為零時，輸出端的電壓不為零，并且電壓偏置隨時間、溫度、電源電壓等一起變化的現象。由于AD603 本身的零點漂移較大，最大為30mV，所以在AD603輸出端引入自動零偏調理電路，即將AD603 輸入短路,不斷采樣AD603 的輸出直流偏置電壓,送入單片機處理并通過D/A 輸出，在調零放大器的調零端加入對應的校正電壓，使這個直流偏置電壓為零。功率放大電路中，則應盡量采用低溫漂運放。

此增益帶寬可調放大器主要確定以下五個模塊：

2.3.1 可變增益放大的選擇

采用低噪聲、精密控制的可變增益放大器AD603 作增益控制核心器件，其溫度穩定性高，增益(dB) 與控制電壓(V)成線性關系，使用D/A 輸出控制電壓能實現精確數控。

2.3.2 程控濾波的選擇

選擇無源RC 低通巴特沃茲濾波器（Butterworth），其電路簡單，具有通帶內最大平坦的振幅特性，但是會令信號衰減。

2.3.3 功率放大的選擇

THS3091 是高電壓輸出的寬帶運放，在功率放大電路中經常使用到。電路設計周期短，但成本較高。

2.3.4 負反饋抑制零點漂移的選擇

因為OPA690 芯片選擇具有高轉換速率1800V ／ us，單位增益帶寬積為500MHz（G=1），所以采用它使電路更可靠穩定。

2.3.5 單片機數據處理和控制

采用單片機MSP430F169 實現整個系統的統一控制和數據處理。該單片機是一種16位超低功耗微處理器，具有豐富的片上外設和較強的運算能力，支持在線編程，使用方便。

3 電路主要模塊設計

3.1 AD603 可變增益放大電路

如圖1 所示，由于AD603 的輸入阻抗為100Ω，故在輸入端接入電阻到地，降低輸入阻抗。通過繼電器選擇，1 腳電壓由手動調節電位器控制或由單片機D/A 輸出控制，改變1、2 腳間電壓差，從而調節增益。如果5、7 腳間接2.15k 的反饋電阻，那么AD603 的增益在0 到40dB 范圍內。

圖1 AD603 可變增益放大電路

3.2 巴特沃斯濾波器

分別設計-3dB 時截止頻率為1MHz、2MHz 和4MHz 的3階無源巴特沃茲濾波器。根據濾波器設計手冊，可以查表得到所需要的電容電感值，根據濾波器軟件仿真得到的幅頻特性曲線對電容電感值做調整。圖2 為4MHz 的巴特沃茲濾波器的電路和仿真幅頻特性曲線圖。

圖2 4MHz 巴特沃茲濾波器的電路和仿真幅頻特性曲線

3.3 功率放大電路

如圖3 左圖所示，為滿足大電流的輸出，采用兩級THS3091 并聯擴流的方式，供電，設計增益為5 倍，該模塊可同時對功率和幅值放大。

3.4 抑制零點漂移

該部分采用電壓反饋型運放OPA690 和單片機相結合的方式，如下右圖所示。在可控增益模塊后，OPA690 正端連接信號輸出端，負端口連接D/A 輸出，從而調節零漂。

圖3 功率放大電路圖和負反饋抑制零點漂移電路

4 測試結果

4.1 測試儀器

函數信號發生器：F120

數字示波器：TDS1002

直流電壓源：DF1731SC2A

4.2 測試結果

接50Ω 電阻負載，輸入電壓小于20mV，輸出不失真電壓放大倍數約為160 倍；通頻帶測試結果為0Hz-4.4MHz，大于上限頻率，增益隨頻率的衰減斜率約為-42dB/十倍頻；輸出電壓（峰峰值）測量范圍為0.5～10V，測量相對誤差小于2% ；負載最大不失真輸出電壓為10.7V，轉動電位器可連續調節增益，通過按鍵可實現增益步進、通頻帶選擇與液晶屏顯示功能。

5 總結

從測試結果來看，該增益帶寬可調放大器的指標均達到設計要求精度較高。本次設計還創新地使用自動化專業的單閉環負反饋原理，有效地解決了AD603 的零漂問題，并且，為尋求較高的精度，采取多種措施抗干擾，在很大程度上消除弱信號電路遇到的各種噪聲影響，例如：不同級電路之間采用同軸電纜屏蔽線連接；采用手工PCB 工藝，盡量減少分布參數的影響；去耦電容緊靠芯片電源引腳；地線回路包圍電路板；功放加風扇散熱等。該放大器充分考慮了電路的效率與成本，具有很高的工業實用參考價值。

[1]劉京南.電力電子基礎.北京:電子工業出版社.2009

[2]田玉平.自動控制原理（第二版）.北京:科學出版社.2006