高性能宽带直流放大器的设计与实现

高性能宽带直流放大器的设计与实现
宋加磊1,潘克修2,陈　斌2,夏绪超3
(1.解放军理工大学通信工程学院研究生4队,江苏南京210007;2.解放军理工大学通信工程学院电子信息工程系; 3.解放军理工大学通信工程学院研究生3队)
摘　要:系统采用T I 公司的三种高速运算放大器OP A 842、V CA 810和T HS 3001直接级联构成程控增益放
大电路,实现对输入小信号的放大。

采用80C 51单片机作为宽带直流放大器电路的控制系统,既可以通过电位器手动调节放大器增益,也可以通过键盘精确的设定放大器增益,设置步进可达1dB 。

输出结果准确地显示在L CD 上,
整个系统输出稳定,数控简单可靠。

关键词:程控放大器;宽带;直流
中图分类号:T N 912文献标识码:B 文章编号:CN 32-1289(2010)02-0081-04
Design and Realization of High Performan ce Wideband DC Amplifier
S ON G J ia -lei 1,PA N K e -x iu 2,CH E N B in 2,X IA X u -chao
3(1.P ostg raduate T ea m 4ICE,P L A U ST ,Nanjing 210007,China ;
2.Depar tment o f Electr onic Info rmat ion Engineer ing ICE ,PL A U ST ;
3.Po stgr adua te T eam 3ICE ,P LA U ST )
Abstract :T he prog rammable control g ain am plificatio n circuit was desig ned mainly w ith
thr ee hig h-speed amplifiers of TI's OPA842,VCA810and T HS3001in a direct co nnected w ay ,
actualizing amplification of small input signal.80C51microcontro ller w as used as a contr ol sy stem o f the wideband DC amplifier circuit .The g ain o f the am plifier can be either adjusted manually by potentiom eter o r set pr ecisely by the key bo ard w ith step 1dB.Output results w ere displayed in the LCD accurately and stably.The w hole sy stem w as sim ple and reliable in numerical co ntro l .
Key words :procedur e control amplifier ;w ideband ;DC
宽带运算放大器在自动控制,测量技术,智能仪表等方面具有广泛的用途,如音响设备中音量的控制,电子设备中信号的准确放大,信号处理电路中输出信号的自动稳幅等。

这些系统一般都要求放大器具有高增益,宽频带,低信号输入和高信号输出的特点。

要同时满足这些性能指标,对电路设计提出了很高的要求。

尽一切努力提高运算放大器的增益和带宽性能,不断提高满足宽频信号的采集和信号放大处理的需要,也一直是模拟IC 开发厂商孜孜不倦追求的目标。

本文从增益和带宽最优化的角度出发,采用精密的T I 运算放大器搭建了一个高性能的宽带直流放大电路。

1　系统方案介绍
系统以80C51单片机为控制芯片,辅以合适的信号放大电路、功率放大电路和人机交互电路构成高速宽带直流放大器,实现对直流信号的放大。

系统结构图如图1所示。

其中,频带选择通道采用LC 低通滤波器　第31卷第2期
　2010年6月军　事　通　信　技　术Jour nal o f M ilita ry Co mmunicatio ns T echno lo gy V ol.31N o.2Jun.2010
收稿日期:2009-10-14;修回日期:2009-12-28
作者简介:宋加磊(1985-),男,硕士生.
图1　宽带直流放大器系统组成
实现0～5M Hz 和0～10M Hz 的频带选择;信号放大
电路采用T I 公司的三种高速运算放大器OPA842、
VCA810和TH S3001直接级联构成程控放大器,提高
了放大器的带宽和增益,减小了增益误差并提高了系
统的稳定性;单片机控制器和D /A 芯片实现带内增益
控制,并实现电压增益的预置和显示;功率放大电路完
成输出功率的放大,提高驱动负载的能力;另外,使用多种方法抑制高频自激、增加增益带宽积,并采用电压负反馈减小增益起伏和相位延迟,使整个电路具有较好的性能。

本系统的最高增益达到63dB,增益可以在0～60dB 之间以1dB 的步进进行控制;在A v =60dB 时,输出端噪声电压的峰-峰值V ON PP ≤0.3V;系统最大输出电压≥10V,输出信号波形无明显失真;系统带宽≥10M Hz 且在0～10MHz 的通频带内增益起伏小于1dB,是一个性能良好的宽带放大器。

2　理论分析与计算
2.1　增益带宽积
增益带宽积G BP 的公式如下:G BP =A u ×f b w 。

其中,A u 表示电压增益幅度,f bw 表示通频带。

上式表明:运算放大器的增益与带宽成反比,是一对相互约束的矛盾,运放增益越高,通道带宽就会下降。

为了保证放大增益的同时尽最大可能获取更好的带宽性能,可以在VCA810的负反馈电路中调节电阻的参数,改变反馈深度,从而改变整个放大电路的增益和频带宽度。

2.2　增益分析与计算
选用TI 公司的VCA 810作为压控增益的主要部分,其增益与控制电压的关系为:G =-40(V c +1),其中,V c 表示控制电压,可见,VCA 810的增益与其控制电压成线性关系,只要用单片机控制D /A 输出一线性变化的控制电压,便可得到线性变化的电压增益输出。

假设键盘输入一预置电压增益G B ,则D/A 输出电压的理论值应为V c =(-G B /40)-1。

又由于D/A 的输出电压经过反相器以后为V OU T =(-D IN /212)*V REF (V REF 为D /A 7571的参考电压),可算出D IN 的理论值为D IN =(V OU T /V REF )*212=((G B +40)/40V REF )*212。

因此,只要利用单片机向D/A 送12位的D IN ,在D/A 的输出端便可得到所需的控制电压V c ,从而控制VCA810产生G B 大小的电压增益。

VCA810的控制电压的范围为0≥V c ≥-2V,当V c =0V 时,G =-40dB,当V c =-2V 时,G =40dB 。

这样增益的变化范围为-40dB ～40dB,单纯的采用这一级放大并不能满足0～60dB 放大增益的要求,同时受到增益带宽积的限制,VCA810的增益设置不宜过大,否则会导致整个通道带宽的下降,所以为了兼顾增益和带宽,采用三级顺序级联的方式来增大放大增益,以保证整个通道的带宽。

在隔离放大部分,OPA 842的增益设定为20dB ,即放大10倍。

后一级THS 3001的增益大约20dB ,所以总的增益为0dB ～80dB 。

图2　调零电路
2.3　调零电路的设计[1]
理想情况下,放大器正常工作时,输入端V i 为零,则输出端V o 应为零。

但
由于输入失调电压的影响,在输入量为零时,输出却产生了一定频率和一定幅
度的信号,因为输入失调电压是直流参数,对直流放大器影响严重,必须加以
消除,本系统采用电位器和RC 构成高增益同向放大器的调零电路,如图2所
示:当输入端电压为零时,调整电位器R p 的阻值,使输出端电压为零,消除输入失调电压造成的干扰。

82军　事　通　信　技　术2010年　
3　系统硬件设计
3.1　信号放大模块
受增益带宽积的限制,为了兼顾增益和带宽,信号放大模块采用三级级联方式,主要由缓冲隔离电路、压控增益电路和固定增益电路组成,如图3所示。

图3　信号放大电路
(1)缓冲隔离电路。

待放
大的输入电压含有噪声和其
他干扰因素,必须经过隔离滤
波以后才能输送到下一级放
大电路进行有效的放大,此
处由低噪声芯片OPA842[2]及
其辅助元器件构成同向运算放
大电路,提高了输入阻抗,对小
信号进行放大约20dB 。

电位
器R 18和电阻R 3,R 4,R 5,R 11
构成了调零电路,使失调电压影响降至最小。

C 1为高频滤波电容,取C 1=1 F 胆电容。

(2)压控增益电路。

单片机通过调节控制电压V c 来控制压控增益放大器VCA810的放大增益,控制电压V c 是由D/A 产生的直流电压,所以在其输入端就近对地接一直流旁路电容。

图3中的C 3即直流旁路电容,起到减小输入的高频噪声干扰的作用。

(3)固定增益电路。

调节电位器R 21的阻值使得(R 21+R 14+R 16)/(R 14+R 16)=10即增益为20dB,此电路进一步增大了放大倍数,提升了放大器的驱动负载能力。

图4　功率放大电路
整个信号放大电路完全装入屏蔽盒内,正负电源和
地之间各用6.8 F 胆电容进行滤波,滤除杂波,各级放
大器电源之间用电感隔开,防止前后级之间通过电源通
道耦合产生自激。

部分电阻电容采用贴片封装,使得输
入连线尽可能短,前端和后端的连接线用同轴电缆连
接,隔离外界干扰。

3.2　功率放大电路[3]
选用两级三极管直流耦合和发射级直流负反馈电
路组成末级功率放大电路,进行输出电压和输出功率的
放大,保证最大输出电压正弦波有效值V o ≥10V,如图4所示。

整个功放电路的电压增益在第一级,其放大
倍数为A ud =1+((R 9×R 10)/(R 9+R 10)/R 8),通过调节R 10来调节增益。

第二级进行电压合成和电流放大,将第一级输出的双端信号变成单端输出信号,同时提高通频带驱动负载的能力。

选用NSC 公司的2N3904和2N 3906(特征频率f T =250MHz ～300M Hz )三极管可达到25MHz 的带宽。

用M ultisim 软件仿真的幅频特性曲线如图5所示。

调整R 10使功放增益为20dB 时电路在24M Hz 以下增益非常平稳。

4　系统软件设计
在主程序中,首先设置堆栈,对LCD 1602,80C 51内部的RAM 及各寄存器初始化,并设置有关标志。

然后,系统自检,系统读取键值,并根据读取的键值转到相应的两种模式。

其主要流程如图6所示。

83　第2期宋加磊等:高性能宽带直流放大器的设计与实现　
图5　幅频特性曲线在工作模式1中,单片机通过DA 送出一个稳定的电压增益,并把
此增益进行转换后作为控制电压送入VCA810,同时可以利用灵敏的
滑动变阻器对输入的控制电压进行调节,实现在0～60dB 的连续可
调。

在工作模式2中,首先要进行带宽的预置,带宽分为5MHz 和10
M Hz ,然后进行放大倍数的设定,此时的放大倍数也可以利用灵敏的滑动变阻器进行连续的可调。

图6　系统主程序流程图5　性能测试与分析
为了确定系统与设计要求的符合程度,我们对系统中的关键部分
进行了实际的测试。

具体测试方法是先调整0dB ,使输出信号和输入
信号幅度相等,接上50 的负载电阻进行整机测试。

测试结果如下。

(1)放大器电压增益测量。

利用函数信号发生器将振幅为10
mV,频率为1MHz 的正弦波加入放大器输入端,在输出端用双踪示
波器测量振幅,增益A u 为20log(V o /V i ),测试结果如表1所示:本系
统最大增益为63dB,而且在0～60dB 的范围内,输出电压和输入电
压的增益误差<0.8dB ,失真很小。

表1　增益测量数据表
预置增益/dB 051020
30405060636670输出电压/V 0.01　0.017　0.031　0.1
　0.31　0.998　3.152　10.16　13.2　16.2　23.2实际增益/dB 0.0 4.869.9720.0
29.8339.9850.1260.0462.2864.1767.31增益误差/dB 0.0-0.14-0.030.0-0.17-0.020.120.04-0.72-1.83-2.
69
图7　幅频特性曲线(2)最大输出电压正弦波有效值测量。

输入加1M Hz 正弦波,调节输入电
压和增益测得不失真最大输出电压有效值为13.5V 。

(3)输出噪声电压测量。

增益调节为60dB ,将输入端短路,测得输出电压峰
-峰值为270mV 左右,小于0.3V 。

(4)放大器频带宽度测量。

将振幅10mV 的正弦波加入输入端,改变输入
信号的频率,在信号放大电路的输出端用示波器测量振幅,观察输出波形的变
化,测得增益为60dB 时,信号放大电路的-3dB 带宽为11MH z,功率放大电路在20M Hz 以下非常平稳,整个放大电路的频带宽度为11M Hz 。

(5)频率特性测量。

增益设为60dB,输入端输入有效值为10m V 的正弦波,改变信号端的频率,测试输出电压后的增益数据如图7所示。

从图中的数据可以看出在0MHz ～10M Hz 范围内,增益比较平坦,且增益起伏≤1dB 。

本系统使用传统的80C 51单片机和T I 公司提供的高速运算放大器实现了一个增益可调的高性能宽带直流放大器电路,设计偏重于模拟电路处理,选用集成芯片作增益控制,利用分立元件作为后级功率放大,设计灵活也很容易实现。

它具有较高的增益,平坦的带内增益和较宽的频带宽度,其性能和指标基本上达到了高速宽带放大器的要求。

当然,系统还有许多待改进的地方:设计有源RC 滤波器,滤除干扰信号,使输入的有用信号更稳定,更精确;在制作电路板时合理的布局和采用大面积铺铜等措施,可以使噪声电压降到更低等。

参考文献:
[1]　王　昊,李　昕.集成运放应用电路设计[M ].北京:电子工业出版社,2007.
[2]　高吉祥.高频电子线路[M ].北京:电子工业出版社,2003.
[3]　黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2006.84军　事　通　信　技　术2010年　。