摘 要：本系統(tǒng)采用可控增益放大器VCA810和寬帶低噪聲運放OPA2846結(jié)合的方式，通過主控芯STC12C5A60S2控制D/A輸出電壓調(diào)整VCA810增益，并且能夠有效地實現(xiàn)0～60dB可調(diào)增益.還加入BUF634并聯(lián)模塊以提高系統(tǒng)的帶載能力，之后使用巴特沃茲無源低通濾波電路對放大器的帶寬進行限制，同時濾除噪聲.末級采用THS3092兩路并聯(lián)功率放大模塊對輸出功率進行放大，使整個系統(tǒng)輸出最大有效值達到6V本系統(tǒng)具有帶寬增益可調(diào)范圍大，能夠有效抑制直流零點漂移，放大器穩(wěn)定性高等特性。

關(guān)鍵詞：寬帶放大器；可控增益；VCA810

本系統(tǒng)設(shè)計一個基于可調(diào)程控的寬帶直流放大器，要求增益可調(diào)范圍為0～60dB，信號的通頻帶保持在0～5MHz，最大帶寬增益積為5GHz，輸出電壓有效值可達6V，具有通頻帶內(nèi)增益平坦，能夠抑制直流零點漂移，并且能夠保持放大器的穩(wěn)定性。文章根據(jù)上述要求設(shè)計的系統(tǒng)主要包括四個模塊：固定增益放大模塊、可變增益放大模塊、低通濾波器模塊及功率放大模塊。

1 系統(tǒng)總體框架

如圖1所示，本系統(tǒng)以STC12C5A60S2作為控制與運算核心，將輸入信號輸入到第一級放大電路進行增益放大，再經(jīng)第二級放大電路濾除雜波和進行功率放大后得到符合要求的輸出信號。其中，第一級放大電路主要包含固定增益放大模塊和可變增益放大模塊，第二級低通濾波器模塊和功率放大模塊。另外，STC12C5A60S2主要用于可變增益放大模塊的程控和輸出調(diào)制電壓的實時顯示。為使第一級放大電路和第二級放大電路不互相影響，文章在兩級電路之間加入一個緩沖級。

2 實現(xiàn)原理

2.1 帶寬增益積。本系統(tǒng)信號通頻帶為0～5MHz，最大電壓增益Av≥60dB，則系統(tǒng)增益帶寬積為：5M×10^（60/20）=5GHz

2.2 通頻帶內(nèi)增益起伏控制。對于通頻帶增益起伏的控制，本系統(tǒng)需要設(shè)置放大器的頻率范圍為0～5M，因此必須保證0～5M通頻帶內(nèi)增益保持平坦。通過選擇通帶最平坦的巴特沃茲濾波器來預(yù)置帶寬，使得放大器在這個預(yù)置頻率范圍內(nèi)保持增益平坦。

2.3 抑制直流零點漂移。放大器輸入為零時，輸出出現(xiàn)的電壓稱為輸出的偏置電壓。偏置隨時間、溫度、電源電壓等一起變化的情況稱為零點漂移。由于VCA810本身零點漂移較大，最大能達到30mV，故應(yīng)盡量減少使用VCA810的數(shù)量，在增益控制中，本系統(tǒng)采用一片VCA810可變增益放大與OPA2846固定增益放大配合，通過單片機程控輸出信號放大通路實現(xiàn)0～60dB可調(diào)增益，OPA2846的輸入偏置電壓僅為0.15mV，THS3092在±5V供電時輸入偏置電壓僅為0.3mV，均能夠很有效地抑制零點漂移。

2.4 放大器穩(wěn)定性

系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于系統(tǒng)的相位裕量，相位裕量是指放大器開環(huán)增益為0dB時的相位與180°的差值，放大器一般會有自激的問題，有的情況是由于在放大器的相移為180°時，其增益仍然大于1，這種情況可以在反饋環(huán)路中增加零點來做相位補償.總體來說，自激振蕩是由于信號在通過運放及反饋回路的過程中產(chǎn)生了附加相移，用？駐？準？住表示低頻段的附加相移，？駐？準F表示高頻段的附加相移，當(dāng)輸入某一信號頻率為f0，使？駐？準？住+？駐？準F=N？仔（N為奇數(shù)），反饋量使輸入量增大，電路產(chǎn)生正反饋。由于本系統(tǒng)中的反饋均為運放單級反饋，故應(yīng)注意使每級運放自身產(chǎn)生的附加相移小180°，在電路調(diào)試過程中，對于電壓反饋型運放OPA2846，VCA810，我們可以人為地引入電阻、電容，他們在f0處產(chǎn)生的附加相移為？駐？準B，若使得？駐？準B+？駐？準？住+？駐？準F≠N？仔（N為奇數(shù)），則自激振蕩得以消除，對于高速，寬帶的電流反饋型運放THS3092，我們特別注意了走線布局，如反饋環(huán)一定要走最短路線，因為長的線也會引起更大的附加相移；計算選擇了合適的反饋電阻阻值，使其不因阻值太大而產(chǎn)生更大的分部電容，導(dǎo)致更大的附加相移；也不因阻值太大而降低放大器的帶寬。

3 主要功能模塊設(shè)計

3.1 第一級放大電路設(shè)計。第一級放大電路包含固定增益放大模塊及可變增益放大模塊。OPA2846固定增益放大模塊設(shè)置固定增益為20dB，再加上VCA810可變增益范圍為-40dB～40dB，采用單片機程控D/A輸出電壓控制VCA810的電壓增益可調(diào)范圍為-20dB～40dB，這樣就能實現(xiàn)0dB～60dB可調(diào)增益。

3.2 第二級放大電路設(shè)計。第二級放大電路包含低通濾波器模塊及功率放大模塊。第二級放大電路加入了5MHz的LC低通濾波器以濾除雜波。為獲得放大器通頻帶內(nèi)最平坦的幅頻特性曲線，使用濾波器設(shè)計軟件Multism設(shè)計并制作了三階巴特沃斯5M低通濾波器測試表明信號經(jīng)過濾波器后會衰減為原來的1/2，故在濾波器后加入由THS3092搭建的10倍增益放大器，使輸出功率增大的同時有效恢復(fù)原來電壓的幅度。為獲得6V有效值及大電流輸出，我們采用兩路THS3092并聯(lián)擴流的方式搭建功率放大模塊。

3.3 功率緩沖設(shè)計。本系統(tǒng)中采用了由多個高速緩沖器BUF634并聯(lián)的功率驅(qū)動模塊，實現(xiàn)了擴流輸出，提升了放大器帶負載能力。BUF634是高速緩沖芯片，可用±18V供電，輸出電流達250mA，壓擺率2000V/uS。BUF634在高帶寬模式下的帶寬為180MHz，但單片BUF634難以達到理想的擺幅要求，因此采用幾片BUF634并聯(lián)的方法來達到擺幅要求，經(jīng)由實驗測試，由2片BUF634并聯(lián)就可達到理想的擺幅和負載。

3.4 各級電源設(shè)計。本系統(tǒng)采用±5V電源為VCA810可變增益放大器、OPA2846固定增益放大器及單片機供電；為滿足6V有效電壓的輸出，采用±18V電源為THS3902并聯(lián)功率放大電路供電；±5V、±18V電源采用線性穩(wěn)壓塊7805、7905、7818、7918搭建。

3.5 主控制器選擇。選用STC12C5A60S2單片機對系統(tǒng)進行控制，單片機主要完成以下功能：一是用按鍵控制D/A輸出的電壓，實現(xiàn)對放大器VCA810的增益控制；二是用A/D采集D/A輸出的電壓，并將電壓值實時顯示在1602液晶屏幕上。

3.6 抗干擾處理。本系統(tǒng)在實際制作中通過采用地線將整個運放電路包圍，以吸收高頻信號、減少噪聲的方法來減少干擾，避免自激。在增益控制部分和后級功率放大部分也都采用此方法。另外，在功率放大級電路中，這種方法可以有效避免高頻信號輻射。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)使用STC12C5A60S2單片機作為控制核心，啟動系統(tǒng)后，單片機自帶A/D自動讀取當(dāng)前D/A輸出電壓值，并且顯示在LCD1602上，通過按鍵控制可以調(diào)節(jié)控制D/A輸出的電壓，從而達到程控調(diào)節(jié)電壓增益的目的。

5 結(jié)束語

文章設(shè)計的可調(diào)程控寬帶直流放大器實現(xiàn)了0～60dB范圍的可調(diào)增益，0～5MHz的信號通頻帶，并且通過BUF634并聯(lián)模塊提高了系統(tǒng)的帶載能力，最后經(jīng)過功率放大之后能使整個系統(tǒng)輸出最大有效值達到6V。經(jīng)過測試，系統(tǒng)具有帶寬增益可調(diào)范圍大，能夠有效抑制直流零點漂移，放大器穩(wěn)定性高等特點。

參考文獻

[1]陸懿，陸懿，宋巍，等.2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽優(yōu)秀作品選集 年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽優(yōu)秀作品選集[C].

[2]郭天祥.新概念51單片機C語言教程——入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.