增益带宽可调放大器_杨曌

电 子 测 试

0 前言

在实际应用中，需要放大的信号往往在一定频率范围内变化，显然，带宽和增益是放大器的两个重要指标。低噪声、宽频带、高效率的放大器设计在工业中经常出现，并且要求的指标不断提高。本文介绍一款前级为可变增益放大器(VGA)AD603调节增益，后级为电流反馈型运放THS3091放大功率，并采用负反馈思想抑制零点漂移问题的设计方案，此方案还采取多种措施来抵抗干扰，降低噪声，获得很好的效果。

1 设计的主要技术指标

2.1 放大器电压增益Av≥40dB，在0～40dB范围内手动连续调节，或5dB步距调节；

2.2 在最大增益下，放大器可过直流，可（1MHz、2MHz、4MHz 三点）预置并显示，并尽量减小带内波动，衰减斜率≥-40db/十倍频；

2.3 在50Ω的负载上，放大器最大不失真输出电压峰峰值≥10V。

2.4 放大器输入为正弦波时，可测量并数字显示输出电压的峰峰值和有效值，输出电压（峰峰值）测量范围为0.5～10V，相对误差小于5%；

2 理论分析与方案选择

综合分析设计指标，主要难点共有三个方面：一是在较宽的带宽内实现较大的放大能力，且以两种方式调节增益;二是保证实现要求的功率输出；三是放大电路的零点漂移问题，因为带宽下限为0Hz，高精度放大器必须最大程度解决零点漂移。

2.1 带宽增益积

带宽增益积是指放大电路通带电压增益与通频带的乘积。本系统设计最大电压增益≥40dB（100倍），通频带最大达到4MHz，所以增益带宽积为：。

2.2 放大器稳定性

为了使放大器稳定，设计时不能接近自激振荡的条件：幅度平衡条件|AF|=1，相位平衡条件φA+φF=π和起振条件|AF|略大于1，留有裕量越大，放大器愈不易产生自激振荡，但设计也就愈困难。

对于电压反馈型运放AD603，人为引入电阻、电容，使它在原自激振荡频率处产生附加相移，不再满足自激条件。对于电流反馈型运放THS3091，采取注意走线布局、选用合适反馈电阻，使其不因阻值过大而产生大分布电容或降低带宽。

2.3 负反馈抑制零点漂移

零点漂移是放大器输入为零时，输出端的电压不为零，并且电压偏置随时间、温度、电源电压等一起变化的现象。由于AD603本身的零点漂移较大，最大为30mV，所以在AD603输出端引入自动零偏调理电路，即将AD603输入短路,不断采样AD603的输出直流偏置电压,送入单片机处理并通过D/A输出，在调零放大器的调零端加入对应的校正电压，使这个直流偏置电压为零。功率放大电路中，则应尽量采用低温漂运放。

此增益带宽可调放大器主要确定以下五个模块：

2.3.1可变增益放大的选择

采用低噪声、精密控制的可变增益放大器AD603作增益控制核心器件，其温度稳定性高，增益(dB)与控制电压(V)

增益带宽可调放大器

杨 曌

（东南大学，211189）

摘要：本论文介绍一款高指标的增益带宽可调放大器的设计与制作。设计采用多重措施来降低噪声，提高效率，并且采用负反馈思想抑制零点漂移。实测表明，设计出的增益带宽可调放大器各项指标能很好地达到设计要求，具有一定的实用性，为工业生产和电子竞赛提供可靠参考。

关键词：增益带宽可调放大器负反馈精度

Adjustable amplifier gain bandwidth

Yang Zhao

(SoutheastUniversity，211189)

Abstract：This paper describes design and fabrication of super quality amplifier with adjustable gain bandwidth. Multiple measures were taken by this design to reduce noise, increase efficiency, and negative feedback to inhibit of zero-point drift. Measurement shows that this amplifier meets the design requirements, and can provide reliable reference for practicability of industrial production and electronic competition.

Keywords：adjustable gain bandwidth；amplifier；negative feedback；accuracy

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电 子 测 试ELECTRONIC TEST 第11期2013年6月

设计研发

成线性关系，使用D/A 输出控制电压能实现精确数控。

2.3.2程控滤波的选择

选择无源RC 低通巴特沃兹滤波器（Butterworth），其电路简单，具有通带内最大平坦的振幅特性，但是会令信号衰减。

2.3.3功率放大的选择

THS3091是高电压输出的宽带运放，在功率放大电路中经常使用到。电路设计周期短，但成本较高。

2.3.4负反馈抑制零点漂移的选择

因为OPA690芯片选择具有高转换速率1800V ／us，单位增益带宽积为500MHz （G=1），所以采用它使电路更可靠稳定。

2.3.5单片机数据处理和控制

采用单片机MSP430F169实现整个系统的统一控制和数据处理。该单片机是一种16位超低功耗微处理器，具有丰富的片上外设和较强的运算能力，支持在线编程，使用方便。

3 电路主要模块设计

3.1 AD603可变增益放大电路

如图1所示，由于AD603的输入阻抗为100Ω，故在输

入端接入电阻到地，降低输入阻抗。通过继电器选择，1脚电压由手动调节电位器控制或由单片机D/A 输出控制，改变1、2脚间电压差，从而调节增益。如果5、7脚间接2.15k 的反馈电阻，那么AD603的增益在0到40dB

范围内。

图1 AD603可变增益放大电路

3.2 巴特沃斯滤波器

分别设计-3dB 时截止频率为1MHz、2MHz 和4MHz 的3

阶无源巴特沃兹滤波器。根据滤波器设计手册，可以查表得到所需要的电容电感值，根据滤波器软件仿真得到的幅频特性曲线对电容电感值做调整。图2为4MHz 的巴特沃兹滤波器的电路和仿真幅频特性曲线图。

3.3 功率放大电路

如图3左图所示，为满足大电流的输出，采用两级THS3091并联扩流的方式， 供电，设计增益为5倍，该模块可同时对功率和幅值放大。

3.4 抑制零点漂移

该部分采用电压反馈型运放OPA690和单片机相结合的

方式，如下右图所示。在可控增益模块后，OPA690正端连接信号输出端，负端口连接D/A 输出，

从而调节零漂。

图3功率放大电路图和负反馈抑制零点漂移电路

4 测试结果

4.1 测试仪器

函数信号发生器：F120

数字示波器：TDS1002直流电压源：DF1731SC2A

4.2 测试结果

接50Ω电阻负载，输入电压小于20mV，输出不失真电压放大倍数约为160倍；通频带测试结果为0Hz-4.4MHz，大于上限频率，增益随频率的衰减斜率约为-42dB/十倍频；输出电压（峰峰值）测量范围为0.5～10V，测量相对误差小于2%；负载最大不失真输出电压为10.7V，转动电位器可连续调节增益，通过按键可实现增益步进、通频带选择与液晶屏显示功能。

5 总结

从测试结果来看，该增益带宽可调放大器的指标均达到设计要求精度较高。本次设计还创新地使用自动化专业的单闭环负反馈原理，有效地解决了AD603的零漂问题，并且，为寻求较高的精度，采取多种措施抗干扰，在很大程度上消除弱信号电路遇到的各种噪声影响，例如：不同级电路之间采用同轴电缆屏蔽线连接；采用手工PCB 工艺，尽量减少分布参数的影响；去耦电容紧靠芯片电源引脚；地线回路包围电路板；功放加风扇散热等。该放大器充分考虑了电路的效率与成本，具有很高的工业实用参考价值。

参考文献

[1]刘京南.电力电子基础.北京:电子工业出版社.2009[2]田玉平.自动控制原理（第二版）.北京:

科学出版社.2006

图2 4MHz 巴特沃兹滤波器的电路和仿真幅频特性曲线