楊 曌

（東南大學(xué)，211189）

0 前言

在實(shí)際應(yīng)用中，需要放大的信號(hào)往往在一定頻率范圍內(nèi)變化，顯然，帶寬和增益是放大器的兩個(gè)重要指標(biāo)。低噪聲、寬頻帶、高效率的放大器設(shè)計(jì)在工業(yè)中經(jīng)常出現(xiàn)，并且要求的指標(biāo)不斷提高。本文介紹一款前級(jí)為可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)AD603 調(diào)節(jié)增益，后級(jí)為電流反饋型運(yùn)放THS3091 放大功率，并采用負(fù)反饋思想抑制零點(diǎn)漂移問(wèn)題的設(shè)計(jì)方案，此方案還采取多種措施來(lái)抵抗干擾，降低噪聲，獲得很好的效果。

1 設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 放大器電壓增益Av ≥40dB，在0～40dB 范圍內(nèi)手動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)，或5dB 步距調(diào)節(jié)；

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

2.3 在50Ω 的負(fù)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(shí)，可測(cè)量并數(shù)字顯示輸出電壓的峰峰值和有效值，輸出電壓（峰峰值）測(cè)量范圍為0.5～10V，相對(duì)誤差小于5% ；

2 理論分析與方案選擇

綜合分析設(shè)計(jì)指標(biāo)，主要難點(diǎn)共有三個(gè)方面：一是在較寬的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的放大能力，且以兩種方式調(diào)節(jié)增益;二是保證實(shí)現(xiàn)要求的功率輸出；三是放大電路的零點(diǎn)漂移問(wèn)題，因?yàn)閹捪孪逓?Hz，高精度放大器必須最大程度解決零點(diǎn)漂移。

2.1 帶寬增益積

2.2 放大器穩(wěn)定性

為了使放大器穩(wěn)定，設(shè)計(jì)時(shí)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(chǎn)生自激振蕩，但設(shè)計(jì)也就愈困難。

對(duì)于電壓反饋型運(yùn)放AD603，人為引入電阻、電容，使它在原自激振蕩頻率處產(chǎn)生附加相移，不再滿足自激條件。對(duì)于電流反饋型運(yùn)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(guò)大而產(chǎn)生大分布電容或降低帶寬。

2.3 負(fù)反饋抑制零點(diǎn)漂移

零點(diǎn)漂移是放大器輸入為零時(shí)，輸出端的電壓不為零，并且電壓偏置隨時(shí)間、溫度、電源電壓等一起變化的現(xiàn)象。由于AD603 本身的零點(diǎn)漂移較大，最大為30mV，所以在AD603輸出端引入自動(dòng)零偏調(diào)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(jī)處理并通過(guò)D/A 輸出，在調(diào)零放大器的調(diào)零端加入對(duì)應(yīng)的校正電壓，使這個(gè)直流偏置電壓為零。功率放大電路中，則應(yīng)盡量采用低溫漂運(yùn)放。

此增益帶寬可調(diào)放大器主要確定以下五個(gè)模塊：

2.3.1 可變?cè)鲆娣糯蟮倪x擇

采用低噪聲、精密控制的可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603 作增益控制核心器件，其溫度穩(wěn)定性高，增益(dB) 與控制電壓(V)成線性關(guān)系，使用D/A 輸出控制電壓能實(shí)現(xiàn)精確數(shù)控。

2.3.2 程控濾波的選擇

選擇無(wú)源RC 低通巴特沃茲濾波器（Butterworth），其電路簡(jiǎn)單，具有通帶內(nèi)最大平坦的振幅特性，但是會(huì)令信號(hào)衰減。

2.3.3 功率放大的選擇

THS3091 是高電壓輸出的寬帶運(yùn)放，在功率放大電路中經(jīng)常使用到。電路設(shè)計(jì)周期短，但成本較高。

2.3.4 負(fù)反饋抑制零點(diǎn)漂移的選擇

因?yàn)镺PA690 芯片選擇具有高轉(zhuǎn)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(wěn)定。

2.3.5 單片機(jī)數(shù)據(jù)處理和控制

采用單片機(jī)MSP430F169 實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)一控制和數(shù)據(jù)處理。該單片機(jī)是一種16位超低功耗微處理器，具有豐富的片上外設(shè)和較強(qiáng)的運(yùn)算能力，支持在線編程，使用方便。

3 電路主要模塊設(shè)計(jì)

3.1 AD603 可變?cè)鲆娣糯箅娐?/h3>

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(guò)繼電器選擇，1 腳電壓由手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器控制或由單片機(jī)D/A 輸出控制，改變1、2 腳間電壓差，從而調(diào)節(jié)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(nèi)。

圖1 AD603 可變?cè)鲆娣糯箅娐?/p>

3.2 巴特沃斯濾波器

分別設(shè)計(jì)-3dB 時(shí)截止頻率為1MHz、2MHz 和4MHz 的3階無(wú)源巴特沃茲濾波器。根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)手冊(cè)，可以查表得到所需要的電容電感值，根據(jù)濾波器軟件仿真得到的幅頻特性曲線對(duì)電容電感值做調(diào)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(jí)THS3091 并聯(lián)擴(kuò)流的方式，供電，設(shè)計(jì)增益為5 倍，該模塊可同時(shí)對(duì)功率和幅值放大。

3.4 抑制零點(diǎn)漂移

該部分采用電壓反饋型運(yùn)放OPA690 和單片機(jī)相結(jié)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(hào)輸出端，負(fù)端口連接D/A 輸出，從而調(diào)節(jié)零漂。

圖3 功率放大電路圖和負(fù)反饋抑制零點(diǎn)漂移電路

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)試儀器

函數(shù)信號(hào)發(fā)生器：F120

數(shù)字示波器：TDS1002

直流電壓源：DF1731SC2A

4.2 測(cè)試結(jié)果

接50Ω 電阻負(fù)載，輸入電壓小于20mV，輸出不失真電壓放大倍數(shù)約為160 倍；通頻帶測(cè)試結(jié)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(cè)量范圍為0.5～10V，測(cè)量相對(duì)誤差小于2% ；負(fù)載最大不失真輸出電壓為10.7V，轉(zhuǎn)動(dòng)電位器可連續(xù)調(diào)節(jié)增益，通過(guò)按鍵可實(shí)現(xiàn)增益步進(jìn)、通頻帶選擇與液晶屏顯示功能。

5 總結(jié)

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，該增益帶寬可調(diào)放大器的指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求精度較高。本次設(shè)計(jì)還創(chuàng)新地使用自動(dòng)化專業(yè)的單閉環(huán)負(fù)反饋原理，有效地解決了AD603 的零漂問(wèn)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(hào)電路遇到的各種噪聲影響，例如：不同級(jí)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(shù)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(fēng)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(yè)實(shí)用參考價(jià)值。

[1]劉京南.電力電子基礎(chǔ).北京:電子工業(yè)出版社.2009

[2]田玉平.自動(dòng)控制原理（第二版）.北京:科學(xué)出版社.2006