一種微弱信號(hào)的寬帶程控高增益放大器設(shè)計(jì)

摘要：本文設(shè)計(jì)并制作了0～15 MHz帶寬的寬帶放大器，放大器可放大不低于1 mV的有效值信號(hào)，增益0～80 dB預(yù)設(shè)或手動(dòng)可調(diào)，最大輸出電壓峰峰值為42 V，在通頻帶范圍內(nèi)起伏增益1 dB左右，放大器在增益為60 dB的時(shí)候，輸出噪聲電壓的峰叫峰值為200 mV，通過(guò)單片機(jī)控制可以實(shí)現(xiàn)電壓增益和放大器的帶寬可預(yù)置并顯示的功能。整個(gè)系統(tǒng)工作可靠、穩(wěn)定，而且成本低、效率高。
關(guān)鍵詞：寬帶放大器；高增益；可鳊程；單片機(jī)；VCA810

引言
在自動(dòng)控制及自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中，需要把一些非電量(如溫度、轉(zhuǎn)速、壓力)等參數(shù)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，這些微弱的電信號(hào)經(jīng)放大后就可以推動(dòng)測(cè)量、記錄機(jī)構(gòu)或控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制或自動(dòng)測(cè)量。
本文設(shè)計(jì)的放大器具有低噪聲、高增益的特點(diǎn)。整體設(shè)計(jì)要求放大器的最大電壓增益為80 dB，輸入電壓有效值Vi≤10 mV。在Av=60 dB時(shí)，輸出端噪聲電壓的峰-峰值VONPP≤0.3 V，3 dB通頻帶0～5／10 MHz可選。在通頻帶內(nèi)增益起伏≤1 dB，負(fù)載電阻(50±2)Ω，最大輸出電壓正弦波有效值Vo≥10 V，輸出信號(hào)波形無(wú)明顯失真。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及理論分析
1．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)可分為4個(gè)模塊，如圖1所示。第1部分為輸入緩沖和固定增益放大模塊，運(yùn)放搭建電壓跟隨器作為輸入緩沖，同時(shí)提高輸入阻抗，固定增益放大部分將輸入的微弱信號(hào)放大到適合后級(jí)處理的電壓范圍；第2部分為分檔濾波模塊，設(shè)計(jì)有5 MHz、10 MHz兩個(gè)低通濾波器，通過(guò)低噪聲繼電器切換，滿足帶寬可預(yù)設(shè)的要求；第3部分為可控增益放大模塊，實(shí)現(xiàn)80 dB的動(dòng)態(tài)增益變化；第4部分為功率放大模塊，驅(qū)動(dòng)50 Ω負(fù)載。

本系統(tǒng)的難點(diǎn)在動(dòng)態(tài)增益和功率輸出兩個(gè)方面，下面對(duì)其進(jìn)行理論分析。
1．2 動(dòng)態(tài)增益的理論分析
設(shè)計(jì)指標(biāo)要求增益動(dòng)態(tài)范圍為80 dB，將80 dB分配在固定增益放大、可控增益放大和功率放大3個(gè)模塊。先確定可控增益放大模塊的增益動(dòng)態(tài)范圍，就可以方便地分配另兩個(gè)模塊的增益。
由于VCA810的線性增益調(diào)節(jié)范圍為-40～40 dB，如圖2所示。但經(jīng)實(shí)際電路測(cè)試當(dāng)增益高于30 dB時(shí)，電路容易出現(xiàn)自激振蕩，此處采用兩級(jí)VCA810級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)-40～40 dB的動(dòng)態(tài)范圍。固定增益放大器增益設(shè)定為10 dB。以THS3001為核心的后級(jí)功放電路增益設(shè)定為30 dB。因此，該系統(tǒng)增益調(diào)節(jié)范圍為0～80 dB。

1．3 運(yùn)放擴(kuò)壓輸出的理論分析
當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載電阻為(50±2)Ω時(shí)，最大輸出電壓Vo≥10 V，則由公式P=U2／RL，可得，系統(tǒng)輸出功率的最大值為Pmax=102／(50-2)=2．08(W)。經(jīng)前置放大和中放電路放大后，不具備驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力，需經(jīng)末級(jí)功率放大電路放大后才能達(dá)到系統(tǒng)對(duì)輸出功率的要求。
考慮到除高壓運(yùn)放以外，一般運(yùn)放的最大輸出電壓在供電電壓為±15 V時(shí)僅有±12 V左右，不能滿足輸出10 V有效值的要求。此處采用浮動(dòng)運(yùn)放電源電壓的方法將輸出電壓幅度擴(kuò)展，利用互補(bǔ)對(duì)稱功放電路將輸出電流增大。