寬帶直流放大器的增益控制設計與研究

聶震，莫波，楊宗霖

（北京理工大學宇航學院，北京100081）

引 言

在工業領域應用中，特別是在一些控制系統和檢測系統中，直流放大電路應用非常廣泛。傳感器將一些非電量（如溫度、流量、壓力、速度、角速度等）轉化為電信號，該電信號較為微弱，幅值和功率都不足以能夠驅動下一級的執行機構，所以需要將這個電信號放大到所需的程度，再去推動執行機構執行，從而達到測量的目的。普通的運算放大器存在著頻帶窄、噪聲系數大、增益低等本身不可忽略的缺點。在較為復雜的系統中，希望能夠在程序中用軟件控制放大器的增益，或者放大器本身能自動將增益調整到適當的范圍。因此，設計一款頻帶寬、低噪聲、增益可調的放大器有著非常重要的現實意義。本設計以亞德諾半導體公司的AD603為核心研究頻帶寬、功率高、增益可調的寬帶直流放大器。

1 方案論證與比較

1.1 可控增益放大器部分

方案一：采用獨立的分立元件。利用高頻三極管構成多極放大電路來滿足增益的要求，同時利用二極管在輸出端檢波產生電壓反饋，實現自動增益控制的目的。由于采用分立元件，致使電路復雜，不易實現增益的精確控制，電路穩定度差，容易產生自激，頻帶內增益的穩定也不易實現。

方案二：可直接采用可調增益運放來實現，采用電壓控制增益放大器AD603。該方案采用了高集成元件電路簡單，容易調節，可控性強。利用AD603的線性dB增益控制特點結合D／A變換可以實現增益及其步進的精確控制。

方案三：選擇高速、寬帶放大器，組建兩級放大電路，自行搭建放大倍數電阻網絡，通過單片機控制繼電器的導通與關斷，來選擇不同的增益調節。但是控制的數字量和最后的增益（dB）不成線性關系而是成指數關系，造成增益調節不均勻，精度下降。

方案一采用分立元件，弊端極多，因此不予考慮；方案三存在阻抗匹配的問題，而且自行搭建的電阻網絡，可能會導致系統干擾變大，面臨步進難以進一步細分的困難，且增益量（dB）不成線性；方案二可以達到步進0.2dB的精度，單片機易于控制，自動增益控制也可以通過軟件方法來實現，考慮到盡可能好的實現系統要求，因此最終選擇了方案二。方案二中的AD603是一種低噪聲、高寬帶精密可控增益放大器，最大增益誤差僅為0.5dB。

1.2 后級放大部分

輸出級要能夠驅動一定的負載，要求輸出電壓的有效值大于2V。由于AD603構成放大器最大輸出電壓較小且不超過2V，不能滿足設計的基本要求，所以需要增加后級功率放大電路。

方案一：采用分立元件搭建。為保證高頻端放大器的穩定性和通頻帶內幅度的平坦度，宜采用互補推挽和深度電壓串聯負反饋電路形式。

方案二：采用高速、寬帶放大器AD811 作為后級放大。AD811的單位增益帶寬為140MHz，擺率為2500V／μs，輸出電流可達100mA，完全可以滿足要求。

采用集成運放電路簡單，干擾較少，很容易實現放大器的穩定性和帶內幅度穩定的要求；采用分立元件雖節省了成本，但系統干擾可能會較大，調試也比較麻煩，綜合考慮選擇方案二。

2 系統框圖

根據設計要求，充分利用數字部分的優點，實現兩部分優缺點互補，構造穩定易于實現的寬帶放大系統。

單片機采用價格低、使用方便的C8051F000。系統總體方框圖如圖1所示。本設計中的單片機采用C8051F000作為主控制器來實現增益控制和人機對話。其中包括4×4矩陣按鍵、1602液晶顯示，放大部分由可控增益放大和后級放大兩部分構成。后級放大實現電壓放大和負載的驅動。單片機通過D／A 轉換產生精確的增益控制電壓實現對放大器增益的精確控制。

圖1 系統總體方框圖

3 主要電路原理分析與計算

3.1 增益控制

AD603的基本增益可以由下式算出：

其中，Vg是差分輸入電壓，單位是V，范圍為-0.5～＋0.5V。Gain是AD603的基本增益，單位是dB。變化范圍為20～＋40dB。

為滿足設計的要求最大增益≥60dB要求，進行兩級級聯，那么總增益可由下式得出：

增益范圍是20～＋80dB，滿足設計的要求。

從式中可以看出，以dB作單位的對數增益和電壓之間是線性的關系。由此可以得出，只要單片機進行簡單的線性計算就可以控制對數增益，增益步進可以很準確的實現。后級放大器增益設定為6dB。滿足設計要求實現的最大電壓增益AV≥40dB增益控制的要求。

圖2所示為兩級AD603級聯，VIN 引腳為放大信號的輸入，GPOS引腳與單片機的D／A 輸出引腳相連，由單片機產生輸出控制電壓信號。對于AD603沒有接入反向放大器，且可控增益放大器和功率放大器都是同向，對于深度負反饋較易產生自激振蕩使相位發生偏移，本電路采用開環控制，故不易產生相位偏移和反向。

圖2 增益控制放大器

3.2 功率放大級

采用高速單運放AD811完成放大。AD811為電流反饋型寬帶運放，其帶寬增益積為140 MHz，±15V 供電，增益為10dB的情況下，-3dB帶寬達100 MHz，遠遠滿足本系統的寬帶放大要求，有±15V 的輸出擺幅，且輸出電流最大可達100mA，完全可滿足峰峰值要求。AD811的電壓擺率為2 500V／μs，根據擺率計算公式：在輸出信號有效值Vom為2V，頻率fmax為6MHz的情況下，所需要的最小電壓擺率可由式（3）算出為960.28 V／μs，AD811完全可以滿足要求。如圖3所示，圖中AD811的3腳與AD603的輸出端相連接。

3.3 D／A轉換

C8051F000 系列MCU 有兩個12 位的電壓方式DAC。每個DAC的輸出擺幅均為0～VREF（本設計中采用的是5 V 的基準源），對應的輸入碼范圍是0x000～0xFFF。本設計只使用DAC0，首先在DACOCN 控制寄存器中的DAC0EN 位（DAC0CN.7）使能DAC0，通過DACOCN［2：0］位選擇數據字格式，設計中采用的是12 位數據右對齊，而實際操作中只需要向DAC0H 和DAC0L 寄存器中寫入數據即可。C8051F000的內部D／A 轉換電路結構如圖4所示。

圖3 功率放大器電路圖

圖4 DAC內部結構圖

3.4 電源部分設計

線性電源雖然簡單，但在整個系統中有非常重要的作用。由于是信號的頻率較高，所以電源的穩定性決定著整個系統的穩定性，所以要求電源輸出穩定，紋波小。

直流穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路及穩壓電路組成產生各種所需的直流電壓，其中±15 V、±5V都可以使用相應的固定輸出的三端穩壓芯片LM7805、LM7905、LM7815、LM7915，如圖5所示。

4 系統測試

測試儀器包括：GOS6050 數字示波器；DT9973 數字萬用表；TFG6030DDS函數信號發生器；直流穩壓電源；負載電阻，RL＝50Ω。

圖5 電源部分電路圖

測試方法及數據如下所述。

（1）噪聲測量

選取在增益為60dB時測量電路的噪聲，將輸入端接地，測量輸出端的電壓為峰峰值≈230mV，遠小于設計要求。

（2）輸出電壓有效值測量

輸入加10kHz正弦波，調節電壓和增益測得不失真最大輸出電壓有效值在2.6V±0.5V范圍內浮動，達到題目要求輸出電壓有效值大于2V。

（3）3dB通頻帶測量

為了測試系統的性能，在測量通頻帶時，選取增益為40dB情況，輸入峰峰值20mV 的正弦信號。由于實驗設備的原因，只能用抽樣取樣的方法來描繪幅頻特性，如表1所列。

從表格中可以看出3dB點的通頻帶值在10 MHz附近。可見本設計符合題目要求的通頻帶的要求，但是僅在0～4 MHz通頻帶內增益起伏≤1dB，滿足設計要求。

（4）增益測量

表2 為增益測試的數據，其中輸入信號的頻率為1MHz。

由于所用的模擬示波器和數字信號源并不是很匹配，所以在數據測量的時候存在誤差，會給測試結果帶來一定誤差。但總體上還附合誤差控制要求。

表1 幅頻特性

（5）其他測試情況

最大輸出電壓≥2V；增益范圍為0～45dB；通頻帶0～10.7 MHz；增益步進能實現5dB 可調，同時可以任意設定增益值；輸出增益顯示。

結 語

本文是基于單片機C8051F000 的寬帶直流放大器，電路由幾個主要模塊共同構成，放大器采用兩級AD603級聯的方式，能夠滿足0～10 MHz帶寬范圍內的信號，并實現0～45dB可調增益范圍。通過測試驗證了系統的可行性和實用性。

［1］康華光.電子技術基礎·模擬部分［M］.武漢：華中科技大學出版社，2006.

［2］全國電子設計競賽組委會.全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編2003［M］.北京：北京理工大學，2004.

［3］全國電子設計競賽組委會.第三屆全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編［M］.北京：北京理工大學出版社，1999.

［4］郭天祥.51單片機C語言教程［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［5］倪志蓮，張怡典，郭穩濤.單片機應用技術［M］.北京：北京理工大學出版社，2007.

［6］Analog Devices.Low Noise 90 MHz Variable-Gain Amplifer AD603，2011.

［7］Analog Devices.High Performance Video Op Amp AD811，2011.

［8］Silicon Laboratories.C8051F000／1／2／5／6／7 Mixed-Signal 32KB ISP FLASH MCU Family，2005.