劉穎，李敏

（西安歐亞學(xué)院信息工程學(xué)院，陜西西安710065）

基于AD603寬帶放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉穎，李敏

（西安歐亞學(xué)院信息工程學(xué)院，陜西西安710065）

該寬帶放大器針對(duì)20 Hz～10 MHz信號(hào)進(jìn)行放大的目的，采用前置放大電路、增益放大電路、末級(jí)大信號(hào)放大電路、單片機(jī)顯示與控制電路和直流穩(wěn)壓電源五大部分構(gòu)成寬帶直流放大器。通過對(duì)電路進(jìn)行最終的測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在18 Hz～11 MHz的范圍內(nèi)放大增益在40 dB范圍內(nèi)可調(diào)，帶內(nèi)增益起伏小于1 dB。

直流放大；增益可控；AD603；AD8056

文中設(shè)計(jì)了一個(gè)寬帶直流放大器，該放大器的輸入電壓有效值小于50 mV，電壓增益大于40 dB，且該增益可在0～40 dB范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整；最大不失真輸出電壓正弦波有效值Vo大于2V；通頻帶內(nèi)增益起伏≤1 dB。放大器的輸入電阻≥50 Ω，負(fù)載電阻（50 Ω）。該系統(tǒng)通過單片控制增益變化量，并能夠顯示輸出電壓大小和輸出電壓增益［1］。

1　系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)寬帶的直流放大器要考慮通頻帶、輸入電阻、帶負(fù)載能力等問題，該系統(tǒng)由前置放大、增益放大電路、末級(jí)大信號(hào)放大電路、單片機(jī)顯示與控制電路和穩(wěn)壓電源五部分構(gòu)成。為保證輸入電阻大于50 Ω，前端電壓放大需設(shè)一級(jí)寬帶跟隨器；增益放大電路由程控增益放大器構(gòu)成；由于輸出電壓幅度較大，需再加一級(jí)大信號(hào)寬帶電壓放大器作為末級(jí)信號(hào)放大電路；根據(jù)增益控制調(diào)節(jié)、測(cè)量并顯示輸出電壓增益等要求，需要設(shè)置單片機(jī)小系統(tǒng)和有關(guān)檢測(cè)電路，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　系統(tǒng)各模塊電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算

1）前置放大電路

可控增益放大器AD603的輸入電阻較小為提高輸入電阻，在可控增益放大前加入輸入緩沖器使輸出電阻與AD603輸入匹配；另外前級(jí)電路對(duì)整個(gè)電路的噪聲影響非常大，必須盡量減少噪聲。所以采用高速寬帶低噪聲運(yùn)算放大器AD8056做前級(jí)跟隨。采用AD8056構(gòu)成電壓跟隨器，起到緩沖隔離的作用，以減少噪聲等干擾信號(hào)的影響，同時(shí)滿足了系統(tǒng)輸入電阻大于50 Ω的要求［2］。電路連接如圖2所示。

圖2　電壓跟隨器電路

2）可控增益放大電路

電壓控制增益放大器AD603作為本寬帶放大器設(shè)計(jì)的主要功能模塊來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求0至40 dB增益范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，AD603壓控運(yùn)算放大器單級(jí)使用時(shí)的增益調(diào)節(jié)范圍為-10至30 dB，運(yùn)放芯片AD603的基礎(chǔ)增益可以使用下面的公式來得到：

在上式里邊的U是單位為V的差分輸入電壓，Gain是單位為dB的AD603的基礎(chǔ)增益［3］。

從上式的基礎(chǔ)增益計(jì)算公式可以很容易看出來，把dB作為單位的對(duì)數(shù)增益與V作為單位的差分輸入電壓兩者之間是呈線性關(guān)系。所以只要控制電位器的電位變化來控制差分輸入電壓就可以平滑連續(xù)地控制整個(gè)系統(tǒng)的增益變化，增益的步進(jìn)可以比較準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)［4］。但是一級(jí)控制的范圍僅為40 dB沒有足夠的余量，具體電路中幾乎無法實(shí)現(xiàn)0至40 dB范圍內(nèi)可調(diào)，所以使用兩級(jí)級(jí)聯(lián)的方式，增益為

本射頻寬帶放大器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)電壓增益要求超過40 dB，輸入時(shí)的最大不失真正弦波電壓的有效值根據(jù)設(shè)計(jì)要求不能超過20 mV，同時(shí)最大的不失真輸出正弦波電壓的有效值要超過1V。在增益分配時(shí)把最大可調(diào)增益要設(shè)置到40 dB以上并且要留有一部分余量在硬件電路才能夠?qū)崿F(xiàn)0至40 dB范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，所以綜合考慮在增益分配時(shí)預(yù)留10 dB左右的余量［5］。具體的電路實(shí)現(xiàn)中，使用兩級(jí)AD603的級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)最大的20dB增益可調(diào)范圍。

AD603連接有3種模式，本系統(tǒng)采用模式二，VOUT與FDBK之間外接一個(gè)電阻REXT，F(xiàn)DBK與COMN端之間接一個(gè)5.6 pF的電容頻率補(bǔ)償［6］。根據(jù)放大器的增益關(guān)系式，選取合適的REXT，可獲得所需要的模式一與模式三之間的增益值。當(dāng)REXT=2.15 kΩ時(shí)，增益-1～41 dB。當(dāng)控制電壓在-500 mv到+500 mv范圍內(nèi)滿足40 dB/V的線性關(guān)系。

增益控制放大電路中AD603采用5引腳和7引腳短接的使用方式，由電位器來控制GNEG與GPOS的差分輸入電壓進(jìn)而控制增益變化，如圖3。供電端加去耦電路來濾除干擾，兩級(jí)AD603級(jí)間采用電容耦合的級(jí)聯(lián)方式最大限度地隔離直流干擾的同時(shí)抑制零點(diǎn)漂移［7］。

3）末級(jí)放大電路

由于要求放大器通頻帶最大為10 MHz，負(fù)載電阻為50 Ω時(shí)，最大輸出有效值為10V，而AD603輸出最大有效值為2V左右，末級(jí)功率放大電路可以在不減小系統(tǒng)電路通頻帶的情況下提高系統(tǒng)電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力。末級(jí)功率放大電路的設(shè)計(jì)使用了一片THS3091芯片和兩片BUF634緩沖芯片級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，AD8055的輸出電流較大所以在AD8055和BUF634緩沖器之間串聯(lián)一個(gè)1 K的電阻用于限流，具體設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

圖3　可控增益放大電路

圖4　末級(jí)放大電路

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的可控增益放大器為AD603，該芯片通過電壓的變化進(jìn)行增益的控制，該控制電壓通過單片機(jī)來產(chǎn)生，以達(dá)到更高的精準(zhǔn)度。單片機(jī)還對(duì)輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，并通過屏幕顯示出來。軟件流程圖如圖5所示。

本系統(tǒng)可以按5 dB為步進(jìn)進(jìn)行增益控制，并且預(yù)置了10 dB、30 dB、40 dB，方便測(cè)試。

圖5　系統(tǒng)軟件流程圖

4　系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

1）測(cè)試條件

示波器MOS～640 40 MHz

數(shù)字信號(hào)源100 uHz～40 MHz

四倍半萬用表VC9807A

負(fù)載電阻50 Ω

2）測(cè)試方法及結(jié)果

將各部分電路連接起來，先調(diào)整0 dB使輸入信號(hào)幅度和輸入信號(hào)幅度相等。接上50 Ω的負(fù)載電阻進(jìn)行整機(jī)測(cè)試。

①通頻帶測(cè)試：預(yù)置增益為18 dB，輸入電壓為有效值小于10 mV，且改變頻率時(shí)要保證輸入電壓保持為30 mV，測(cè)試結(jié)果如表1。

根據(jù)測(cè)量得出通頻帶范圍從18 Hz～11 MHz。

②固定一頻率點(diǎn)為1 MHz，預(yù)置增益測(cè)試數(shù)據(jù)如表2。

根據(jù)測(cè)量得滿足指標(biāo)要求，增益小于3 dB

表1　通頻帶測(cè)試

表2　預(yù)置增益測(cè)試數(shù)據(jù)

3）抗干擾措施

具體采取的抗干擾措施有：

①將輸入部分和增益控制部分裝在屏蔽盒子，避免級(jí)間干擾和自激

②電源隔離：各級(jí)供電采用電感隔離，輸入級(jí)和輸出級(jí)采用隔離供電，各部分電源通過電感隔離，這樣可以避免低頻自激。

4）誤差分析

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)誤差來自多方面的，有小信號(hào)輸入時(shí)的噪聲，外來干擾以及測(cè)量儀器的自身所有的誤差和電路焊接等各方面的影響。雖然采取了一些屏蔽措施，只是對(duì)誤差有所改善，而誤差是不可能被消除的。具體采取的抗干擾措施有：將輸入部分和增益控制部分裝在屏蔽盒子，避免級(jí)間干擾和自激。

5　結(jié)束語

從各測(cè)試數(shù)據(jù)來看，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的參數(shù)，本設(shè)計(jì)偏重于通頻帶下線的擴(kuò)展處理及高端高增益下系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，得到了較好的處理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)性價(jià)比較高，設(shè)計(jì)簡單靈活。

［1］黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［2］杜月林.蔣雪飛.梅明濤.基于AD603程控增益大功率寬帶直流放大器的設(shè)計(jì)［J］.國外電子測(cè)量技術(shù)，2010（11）：48-50.

［3］李萬臣；模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)踐教程［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

［4］王光明，張玘，沈國際.程控增益放大器的實(shí)現(xiàn)方法［J］.電子工程師，2002（4）：15-16.

［5］陳永剛，劉立國.AD603及其在AGC電路中的應(yīng)用［J］.電子世界，2002（4）：23-24.

［6］艾文歡，劉大為.一種性能優(yōu)良的寬帶放大器［J］.科技風(fēng)，2010（21）：18-19.

［7］吳翠娟，張恒.模擬電子技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

Design and implementation based on AD603 broadband amplifier

LIU Ying，LI Min
（Information Engineering College of Xi'an Eurasia University，Xi'an 710065，China）

In order to enlarge the signal to 20 Hz-10 MHz，the amplifier is composed of five parts：the preamplifier circuit.gain amplification circuit.，the final high signal amplification circuit.display and control circuit of SCM and DC regulated power supply.Through the final test of the circuit，the whole system can be realized in the range of 40dB to enlarge the gain within the range of 18 Hz-11 MHz can be adjusted，with internal gain fluctuation less than 1dB.

DC amplification；controllable gain；AD603；AD8056

TN710.2

A

1674－6236（2016）17-0142-03

2015-08-30稿件編號(hào)：201508173

劉穎（1980—），女，河南開封人，碩士，講師。研究方向：通信電路。