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　　直流寬帶放大器可以對(duì)寬頻帶、小信號(hào)、交直流信號(hào)進(jìn)行高增益的放大，廣泛應(yīng)用于軍事和醫(yī)用設(shè)備等高科技領(lǐng)域上，具有很好的發(fā)展前景。在很多信號(hào)采集系統(tǒng)中，經(jīng)放大的信號(hào)可能會(huì)超過A/D轉(zhuǎn)換的量程，所以必須根據(jù)信號(hào)的變化相應(yīng)調(diào)整放大倍數(shù)，在自動(dòng)化程度要求較高的場(chǎng)合，需要程控放大器的增益。AD603是由美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的壓控放大器芯片，具有低噪聲、寬頻帶、高增益（在通頻帶內(nèi)增益起伏小于等于1dB）的特點(diǎn)。壓控輸入端電阻高達(dá)50MΩ，在輸入電流很小時(shí)，片內(nèi)控制電路對(duì)提供增益控制電壓的外電路影響較小，適于實(shí)現(xiàn)程控增益調(diào)節(jié)。故該系統(tǒng)選擇AD603為實(shí)現(xiàn)高增益、低噪聲的程控直流寬帶放大器。

　　1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1　技術(shù)指標(biāo)

　　輸入電阻Ri≥50Ω；輸入電壓有效值Ui≤10mV;帶寬0～10MHz,0～9MHz范圍內(nèi)，增益起伏小于等于1dB;程控增益40dB和60dB,以5dB步進(jìn)；在60dB放大，帶載50Ω時(shí)，輸出10V,且無明顯失真。

　　1.2　總體設(shè)計(jì)

　　寬帶直流放大器的實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由寬帶運(yùn)放級(jí)聯(lián)組成，輸入信號(hào)經(jīng)由AD603及外圍電路構(gòu)成的放大網(wǎng)絡(luò)輸出，輸出增益為36.5dB,帶寬15.6M,再由AD811放大，兩級(jí)可實(shí)現(xiàn)40dB增益，在0～10MHz范圍內(nèi)無明顯失真。經(jīng)AD811放大電路放大的信號(hào)再經(jīng)過AD829實(shí)現(xiàn)60dB增益，輸出電壓有效值10V,信號(hào)經(jīng)過AD829之后進(jìn)入擴(kuò)流電路，實(shí)現(xiàn)帶載50Ω電阻。單片機(jī)mega16通過DAC0832來控制預(yù)置增益，編程實(shí)現(xiàn)步進(jìn)增益5dB,實(shí)時(shí)液晶顯示。

圖1　總體設(shè)計(jì)框圖

　　1.3　單元電路分析與參數(shù)計(jì)算

　　1.3.1　前置放大電路分析與設(shè)計(jì)

　　AD603是一款8引腳的高增益、帶寬可調(diào)放大器，帶寬為90MHz.在-1～+41dB的增益范圍內(nèi)，帶寬可達(dá)30MHz;在9～51dB的增益范圍內(nèi)，帶寬為9MHz.由于帶寬增益積的關(guān)系，AD603無法實(shí)現(xiàn)60dB放大，需采取多級(jí)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。由于低噪聲的特性，選擇AD603作為級(jí)放大。根據(jù)芯片技術(shù)手冊(cè)，當(dāng)VG在-500mV～+500mV范圍內(nèi)以40dB/V（即25mV/dB）進(jìn)行線性增益控制，增益G（dB）與控制電壓VG之間的關(guān)系為：G（dB）=40VG+G0i（i=1,2,3）。這里要求增益5dB步進(jìn)，故VG=5325mV=125mV,其中VG=VGPOS-VGNEG（單位為伏特），G0i分別為三種不同模式下的增益常量：G01=10dB,G02=10～30dB,G03=30dB.

　　Ri=R1‖100=100‖100=50Ω，系統(tǒng)要求帶寬為10M,前置放大器的帶寬應(yīng)大于10M,采用G02模式，通過計(jì)算調(diào)試選定AD603的5、7腳接2.15kΩ，4、5連接5pF電容，實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償。級(jí)放大器的頻率為：

　　AD603芯片內(nèi)部有100Ω電阻，在反向輸入端與地之間加入100Ω電阻，實(shí)現(xiàn)輸入電阻為50Ω，級(jí)實(shí)現(xiàn)增益36.5dB.

　　1.3.2　中間級(jí)放大設(shè)計(jì)

　　AD603的供電電壓為±7.5V,經(jīng)AD603放大的信號(hào)幅度為5V左右，帶載能力差。AD811是一款視頻驅(qū)動(dòng)放大器，在滿足通頻帶內(nèi)增益起伏小于等于0.1dB,增益小于等于2時(shí)，具有25M帶寬，供電電壓選用±15V,可實(shí)現(xiàn)10V有效值輸出。滿足系統(tǒng)10M通頻帶的指標(biāo)要求，具有較強(qiáng)的帶載能力，在滿足40dB增益的前提下，還要考慮到與后級(jí)放大器一起實(shí)現(xiàn)60dB增益，且滿足帶寬要求，這里選擇AD811的增益為1.5倍（3.5dB）。增益由電阻RFB和RG來決定：

　　為了便于調(diào)整放大倍數(shù)，RFB選用1kΩ滑動(dòng)電位器，前兩級(jí)放大后，在10M帶寬范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了40dB增益。

　　1.3.3　第三級(jí)放大設(shè)計(jì)

　　為了滿足60dB放大要求，第三級(jí)采用AD829放大器芯片，AD829也是一款視頻放大芯片，具有高速、低噪聲、帶載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。但更值得一提的是，它具有的直流特性和動(dòng)態(tài)特性，其增益帶寬積可達(dá)750,在20倍放大時(shí)，帶寬為37.5MHz,完夠滿足指標(biāo)要求，供電電壓可達(dá)±18V,采用±17V.AD829是一款高速芯片，在高速電路中信號(hào)的振幅要盡量小，否則容易使信號(hào)發(fā)生畸變。在使用時(shí)，必須考慮轉(zhuǎn)換速率SR的頻率。為了獲得無失真輸出，可先將信號(hào)衰減一半，（此時(shí)放大50倍，34dB）再送給AD829的同向端，為滿足60dB的增益要求，第三級(jí)應(yīng)放大20倍（26.5dB）：

　　根據(jù)實(shí)際情況，可選用40dB和60dB兩種放大倍數(shù)，若要提高帶載能力，在40dB和60dB兩個(gè)輸出端均可接擴(kuò)流驅(qū)動(dòng)電路。為便于使用，在第二級(jí)放大器后接入數(shù)控開關(guān)，根據(jù)需要選擇直接帶載輸出或者再放大到60dB后帶載輸出。鑒于篇幅，下文只對(duì)60dB帶載輸出詳述。

　　1.3.4　擴(kuò)流電路

　　根據(jù)轉(zhuǎn)換速率SR的頻率計(jì)算公式，fFP=,對(duì)于AD829,帶載50Ω時(shí)的SR約為300,若輸出10V有效值，即峰值14.1V,代入上式計(jì)算，fFP約為6.7MHz,無法滿足系統(tǒng)要求的帶寬，因此不能直接通過AD829實(shí)現(xiàn)10V輸出，為此，選用擴(kuò)流電路（如圖2），實(shí)現(xiàn)50Ω負(fù)載在0～10MHz頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)10V輸出。在運(yùn)放輸出端加入兩個(gè)并聯(lián)的高速電流緩沖器來驅(qū)動(dòng)負(fù)載。電流緩沖器BUF634在負(fù)載為100Ω時(shí)輸出電流250mA,其單位增益帶寬可在30～180M變化，使用BUF634完全可以滿足指標(biāo)要求。

圖2　三級(jí)放大及擴(kuò)流電路

　　1.3.5　DAC0832電路

　　Mega16單片機(jī)控制DAC0832,輸出信號(hào)經(jīng)放大后，經(jīng)過繼電器送給AD603,控制增益由負(fù)到正變化，具體電路如圖3所示。

圖3　單片機(jī)系統(tǒng)與DA0832的接口電路

　　2　軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件主要包含了系統(tǒng)初始化程序、LCD12864顯示程序、鍵盤程序、DA轉(zhuǎn)換程序等。

　　程序流程如圖4和圖5所示。液晶顯示程序?qū)纹瑱C(jī)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示處理，實(shí)現(xiàn)友好人機(jī)界面的信息交換。DA轉(zhuǎn)換主要將鍵盤輸入的鍵值經(jīng)過相應(yīng)的處理以后，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸送給DA芯片的數(shù)據(jù)口進(jìn)行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后輸出連續(xù)可調(diào)的模擬電壓，用以控制AD603的1腳電壓，實(shí)現(xiàn)程序控制。通過查詢方式實(shí)現(xiàn)鍵控增益，并可實(shí)時(shí)液晶顯示。

圖4　程控增益主程序設(shè)計(jì)流程圖

圖5　液晶顯示程序流程圖

　　3　數(shù)據(jù)測(cè)試

　　3.1　輸入電阻測(cè)試

　　在信號(hào)源與輸入端串一個(gè)50Ω的電阻（如圖6），在信號(hào)源輸入為10mV時(shí)，測(cè)量放大器輸入端的電壓值為5.12V,大于等于信號(hào)源顯示電壓的一半，從而判斷系統(tǒng)的輸入電阻大于等于50Ω，滿足指標(biāo)要求。

圖6　輸入電阻測(cè)量電路

　　3.2　通頻帶測(cè)試

　　對(duì)表1（見下頁(yè)）數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，系統(tǒng)在0～9MHz頻率范圍內(nèi)，增益誤差小于等于5%,對(duì)應(yīng)的誤差電壓值為0.5V≤1dB=1.12V,滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。當(dāng)頻率繼續(xù)增大，在10MHz的截止頻率處，輸入電壓為10mV,增益誤差將達(dá)到15%,對(duì)應(yīng)的輸出電壓誤差為

ε=

      故認(rèn)為該放大器的通頻帶Δf≥10MHz,滿足指標(biāo)要求。

　　3.3　帶載能力測(cè)試

　　表2所示數(shù)據(jù)是輸入電壓峰峰值為10mV,經(jīng)三級(jí)放大及擴(kuò)流驅(qū)動(dòng)，50Ω負(fù)載在通頻帶內(nèi)一些典型頻率點(diǎn)上的測(cè)試數(shù)據(jù)。表中數(shù)據(jù)表明，0～9MHz頻率范圍內(nèi)，負(fù)載上基本可以獲得10V的電壓值，在10MHz頻率的截止頻率點(diǎn)，輸出電壓值誤差為14.1%,滿足系統(tǒng)要求。

表1　放大器在0～10MHz頻率范圍內(nèi)的輸出

表2　帶載能力測(cè)試結(jié)果

　　4　結(jié)語

　　本設(shè)計(jì)采用三級(jí)放大器直接耦合級(jí)聯(lián)方式，利用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)增益的步進(jìn)和預(yù)置，通頻帶在0Hz～10MHz時(shí)能穩(wěn)定輸出。通過使用數(shù)控雙路開關(guān)實(shí)現(xiàn)在0～40dB和0～60dB兩種增益范圍內(nèi)連續(xù)和步進(jìn)可調(diào)，在0～9MHz增益起伏小于1dB,系統(tǒng)噪聲小于20mV,放大器輸出電阻小，帶載能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了增益穩(wěn)定控制自動(dòng)化，增益調(diào)節(jié)數(shù)控化。該放大器可廣泛應(yīng)用于微弱信號(hào)檢測(cè)和視頻驅(qū)動(dòng)等處理電路中。

參考文獻(xiàn):

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