寬帶直流放大器

在現(xiàn)代電子設(shè)備、通訊設(shè)備和科研生產(chǎn)中常需要利用放大電路將傳感器輸出的微弱信號(hào)或通信接收端接收到空中微弱的信號(hào)進(jìn)行提取、放大。只有將信號(hào)放大到一定程度才能滿(mǎn)足后級(jí)設(shè)備的要求，使分析結(jié)果正確。同時(shí)很多設(shè)備還要求具有一定輸出功率，才能驅(qū)動(dòng)后級(jí)設(shè)備或使通信的發(fā)射端將信號(hào)有效傳輸?shù)浇邮斩?。然而面?duì)多種多樣的放大要求，現(xiàn)在的放大電路難以在頻帶、增益動(dòng)態(tài)范圍、功率等參數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。為此，這里設(shè)計(jì)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(diào)節(jié)范圍為0～75 dB，帶寬可設(shè)置為5 MHz或10 MHz兩種，后級(jí)功率放大電路可輸出20 V的峰峰值。該系統(tǒng)成本低廉，精度高，滿(mǎn)足一般生產(chǎn)科研實(shí)驗(yàn)要求，可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，具有推廣性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
1．1 可控增益放大
可控增益放大由可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)AD603實(shí)現(xiàn)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(nèi)部是由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，施加在其梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號(hào)經(jīng)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(guò)單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算并控制D／A轉(zhuǎn)換器輸出其控制電壓來(lái)獲得的，從而實(shí)現(xiàn)較精確的數(shù)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(jī)控制，穩(wěn)定性好，滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。
1．2 后級(jí)功率放大
采用多片集成運(yùn)算放大器并聯(lián)組成后級(jí)功率放大電路，通過(guò)改變放大器的增益實(shí)現(xiàn)不同倍數(shù)放大，多片放大器并聯(lián)可提供較大的輸出電流。多片集成運(yùn)算放大器并聯(lián)放大電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且輸出波形可無(wú)明顯失真。該系統(tǒng)選用高壓低失真電流反饋型放大器THS-3091，最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)350 mA，3片THS3091最大可提供為l050mA的電流，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
1．3 濾波電路
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，需要一個(gè)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(dá)到上述帶寬要求，且價(jià)格高。因此，該方案采用七階無(wú)源橢圓濾波器，該濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、帶寬大，穩(wěn)定性好，波動(dòng)小等特點(diǎn)。并利用濾波器設(shè)計(jì)軟件filter solution快速設(shè)計(jì)出通帶波動(dòng)小阻帶衰減大的濾波器。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，該系統(tǒng)由前級(jí)信號(hào)調(diào)理電路、可控增益電路、加法器電路、濾波選擇電路、后級(jí)程控放大電路和后級(jí)功率放大電路組成。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前級(jí)信號(hào)調(diào)理電路可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配以及10倍放大，以提高輸入信號(hào)的信噪比；可控增益放大電路是以AD603為核心組成的，可對(duì)輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)-10～+30 dB的放大；加法器電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的零點(diǎn)漂移的有效調(diào)節(jié)，從而抑制零點(diǎn)漂移；以繼電器為核心的濾波器選擇電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的帶寬為5 MHz或1O MHz的選擇；由MAX309和THS309l組成的后級(jí)程控放大電路可對(duì)信號(hào)分別實(shí)現(xiàn)0．01，0．5，5，10倍的放大；功率放大電路由3片THS3091并聯(lián)構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)50 Ω負(fù)載，輸出信號(hào)峰-峰值可達(dá)20 V且無(wú)明顯失真。
2．1 可控增益放大電路
可控增益放大電路是以可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603為核心，信號(hào)直接輸入AD603的引腳3，引腳2輸入偏置電壓，并聯(lián)10 μF電容構(gòu)成低通濾波器濾除輸入電壓噪音，引腳1的電平通過(guò)16位高精度D／A轉(zhuǎn)換器MAX541來(lái)調(diào)節(jié)增益放大，該的基準(zhǔn)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(tài)下，而其供電電壓通過(guò)10μF和0．1μF并聯(lián)接地去耦，提高系統(tǒng)穩(wěn)定，抑制自激，如圖2所示。

2．2 后級(jí)程控放大電路
后級(jí)程控放大電路主要由模擬開(kāi)關(guān)MAX309和THS3091構(gòu)成，MAX309導(dǎo)通電阻約100Ω，可通過(guò)10 MHz以上的信號(hào)，容性負(fù)載小，使用方便，易于編程，可通過(guò)FPGA對(duì)MAx309進(jìn)行開(kāi)關(guān)選通，前級(jí)為同相放大，放大倍數(shù)為2倍，有利于信號(hào)隔離和傳輸，提高驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力，該電路可對(duì)輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)0．01、0．1、1、10倍的放大，如圖3所示。