宽带放大器

宽带直流放大器

摘要：本作品基于压控对数放大器设计，由前级放大模块、增益控制模块、带

宽预置模块、后级功率放大模块、键盘及显示模块和电源模块组成，具有宽带手

动连续调节和数字程控功能。在前级放大电路中，用电流反馈型放大器OPA691

和宽带运算放大器VCA810 放大输入信号，输出放大一定倍数的电压，经过后级THS3120 放大电路达到大于10V 的有效值输出，其中的OPA691 的使用弥补了一般电压反馈型放大器的带宽随增益增加而急剧降低和压摆率不足的问题，VCA810 的使用方便了程控增益，THS3120 的使用提高了输出电压的有效值范围。

本设计采用压控增益器件，进行合理的级联和阻抗匹配，加入后级功率输出，全面提高了增益带宽积和输出电压幅度。应用单片机和数字信号处理技术对增益

进行预置和控制，稳定性好，可控范围大。而且综合应用了电容去耦、滤波、使

用屏蔽线传输信号等抗干扰措施以减少放大器的噪声并抑制高频自激。经验证，

本方案完成了全部基本功能和部分扩展功能。

关键词：压控对数放大器宽带数字程控

一、方案设计与论证

1.1 方案设计与比较

1.1.1 可控增益放大器部分

方案一：采用场效应管或三极管控制增益。主要利用场效应管的可变电阻区（或三极管等效为压控电阻）实现增益控制，本方案由于采用大量分立元件，电

路复杂，稳定性差。

方案二：为了易于实现最大60dB增益的调节，可以采用高速乘法器型D/A

实现，比如AD7420。利用D/A转换器的VRef作信号的输入端，D/A的输出端

做输出。用D/A转换器的数字量输入端控制传输衰减实现增益控制。此方案简

单易行，精确度高，但经实验知：转化非线性误差大，带宽只有几kHz，而且当

信号频率较高时，系统容易发生自激，因此未选此方案。

方案三：根据题目对放大电路增益可控的要求，考虑直接选取可调增益的运

放实现（如运放VCA810）。其特点是以dB为单位进行调节，可调增益±40dB，可以用单片机方便地预置增益。

方案三电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化用单片机处理。

所以本系统采用方案三。

1.1.2 功率输出部分

方案一：用分立元件，此方案元器件成本低，易于购置。但是设计、调试难

度太大，周期很长，尤其是短时间内手工制作难以保证可靠性及指标，故不采用

此方案。

方案二：直接使用集成高电压输出的运放THS3120，放大器通频带从0到

10MHz，并能驱动50 的负载，单纯用音频或射频放大的方法来完成功率输出，

要做到10V有效值输出难度较大，而THS3120是一款高速宽带放大器，并可以

提供475mA的电流输出，完全满足题目要求，本方案简单易行，而且由于采用

单芯片，系统体积大大减小，所以采用方案二。

1.1.3 稳压电源部分

方案一：线性稳压电源。其中包括并联型和串联型两种结构。并联型电路复

杂，效率低，仅用于对调整速率和精度要求较高的场合；串联型电路比较简单，

效率稍高，虽然方便可靠，但还是满足不了高效率的要求。

方案二：开关稳压电源。此方案效率高，虽然理论电路复杂，但是如果使用

开关电源集成芯片，只需在外围加少量器件，即可达到题目中高效率的要求。

所以电源模块选择方案二中的开关稳压电源。

1.2 理论分析与参数计算

1.2.1 带宽增益积

带宽增益积(GBP)是这是用来简单衡量放大器的性能的一个参数，这个参数

表示增益和带宽的乘积。按照放大器的定义，这个乘积是一定的。

题目中要求放大器最大电压增益A V≥60dB，即Gain≥1000V/V。

放大器的通频带0～10MHz，所以本放大器的带宽增益积为

GBP = 1000 * 10M = 10G

单个放大器是很难达到10G的GBP，所以我们考虑多级放大器级联。

经过查阅手册，OPA691的GBP为450M，级联上后级的VCA810 和THS3120，足以达到题目要求。

1.2.2 通频带内增益起伏控制

题目中要求通频带内增益起伏≤1dB，本设计采用的是巴特沃斯滤波器，巴

特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，虽然

在阻频带内缓慢下降为零，但可以通过增加滤波器阶数来加快阻带内的衰减，符

合题目要求。

经过滤波器设计软件Filter Solutions 和仿真软件Multisim 仿真，发现 4

阶的时候即可达到题目要求（仿真效果见附录图1、图2）

这两个滤波器可同时作为放大器预置带宽点，通过继电器切换。

1.2.3 放大器稳定性

（1）放大器板上所有运放电源线及数字信号线均加磁珠和电容滤波。磁珠

可滤除电流上的高频毛刺，电容滤除较低频率的干扰，它们配合在一起可较好地

滤除电路上的串扰。安装时尽量靠近IC 电源和地。

（2）所有信号耦合用点解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频增益下

降。

（3）在两个焊接板之间传递模拟信号时用同轴电缆，信号输入输出使用

SMA-BNC 接头以使传输阻抗匹配，并可减少空间电磁波对本电路的干扰，同时避

免放大器自激。

（4）数字电路部分和模拟电路部分的电源严格分开，同时数字地和模拟地

电源地一点相连。

二、硬件电路设计

2.1 系统框图

本系统主要由由前级放大模块、增益控制模块、带宽预置模块、后级功率放

大模块、键盘及显示模块和电源模块组成。如图 1 所示

2.2 主要模块电路

（1）压控增益电路

可控增益调节部分我们使用压控增益放大器VCA810，VCA810 在宽频带工作

模式下，增益控制范围为-40dB～+40dB ，且控制电压与增益dB 数成线性关系，

满足设计要求。如图 2 所示

（2）步进及手动调节电路

步进调节基本电路是由单片机数字程控，经D/A 转换产生控制输出电压。

利用MSP430 单片机自带的12 位D/A 转换功能，输出稳定的控制电压。VCA810 的控制电压为0V~-2V，而单片机DA 输出范围在0V~2.5V，不符合要求，因此在

电路中加入了减法器，（实际加到图 2 中VCA810 的 3 脚的控制电压是DA 值减去2.5V 基准的值）。手动连续调节则可以使用多圈精密电位器来实现。具体电路如