程控寬帶直流功率放大器的設(shè)計(jì)

摘要：以壓控運(yùn)放AD603、功率運(yùn)放THS3092、10位串行D／A芯片TLC5615和AVR單片機(jī)ATmegal28為核心，以液晶屏、鍵盤為人機(jī)接口，通過軟件補(bǔ)償增益誤差，設(shè)計(jì)一種可編程控制電壓增益的大功率寬帶直流放大器。該放大器可實(shí)現(xiàn)O～60 dB增益范圍內(nèi)1 dB步進(jìn)可調(diào)和DC～10MHz帶寬，控制誤差不大于3％，50 Ω負(fù)載上最大不失真輸出有效值達(dá)到10 V。
關(guān)鍵詞：寬帶直流功率放大器；AD603；頻帶預(yù)置；THS3092

引言
在許多生物電信號測試過程中，需要對從直流成分到幾十Hz帶寬內(nèi)、高內(nèi)阻、弱信號傳感器的輸出信號進(jìn)行放大處理，參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了這種信號的放大電路。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，寬帶運(yùn)算放大器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于A／D與D／A轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、精密比較器、波形發(fā)生器和視頻放大器等各種電路中，參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了這種信號放大電路。在很多信號采集系統(tǒng)中，傳感器輸出的電壓信號變化范圍較大，經(jīng)固定增益放大后得到的信號幅值有時(shí)波動(dòng)達(dá)幾十dB。信號幅值過大會超出后續(xù)信號處理設(shè)備的輸入電壓范圍，造成損壞器件的嚴(yán)重后果，而幅值過小可能丟失有用信號。參考文獻(xiàn)在程序中用軟件控制放大器增益，設(shè)計(jì)了解決這個(gè)問題的電路。針對寬帶高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，參考文獻(xiàn)采用價(jià)格比較昂貴的FPGA和DSP芯片設(shè)計(jì)了一種大動(dòng)態(tài)范圍、低失真直流耦合模擬前端。該設(shè)計(jì)采用一個(gè)可控粗放大和程控細(xì)放大2級放大電路，既保證信號的帶寬，又滿足對微弱信號的放大需求。
上述文獻(xiàn)均未提到程控寬帶直流功率放大器的方法，而在實(shí)際科研和測量儀器中，希望當(dāng)輸入信號的頻率在DC～10 MHz以及幅度大范圍變化時(shí)，輸出信號的頻帶和幅度大小能按需要調(diào)節(jié)和預(yù)置，甚至輸出電壓有效值高達(dá)10 V且能顯示。這就要求對電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，兼顧工藝制造，才能設(shè)計(jì)出性價(jià)比更高的寬帶直流放大器。本文采用AVR單片機(jī)ATmegal28作為核心控制器，結(jié)合10位串行D／A芯片TLC5615、功率運(yùn)放THS3092、可編程增益運(yùn)放AD603以及其他相關(guān)電路，構(gòu)成了可預(yù)置程控寬帶直流功率放大電路。該電路系統(tǒng)增益調(diào)節(jié)范圍為O～60 dB，步進(jìn)間距為1 dB，頻帶為DC～10 MHz，輸出電壓有效值為10 V，矩陣鍵盤預(yù)置增益值步進(jìn)，點(diǎn)陣液晶顯示實(shí)時(shí)電壓有效值，人機(jī)界面友好，操作簡單方便。

1 系統(tǒng)總體方案
若采用可編程放大的思想，將輸入的信號作為高速D／A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓，那么D／A轉(zhuǎn)換器作為一個(gè)程控衰減器，對速度的要求很高。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)O～60 dB增益可調(diào)，勢必需要D／A轉(zhuǎn)換器輸出衰減最少60 dB以上。假設(shè)信號源有效值低于20 mV，衰減后為20 μV，如此小的信號有可能完全被噪聲淹沒，或大大增加信號調(diào)理的難度。
也可采用2片AD603壓控增益寬帶放大器，每片實(shí)現(xiàn)-10～30 dB增益。通過測試發(fā)現(xiàn)，AD603輸出含有與增益無關(guān)的直流電壓，由于項(xiàng)目要求頻率可延伸至直流，即級與級之間不能加電容耦合隔離直流，則前級AD603輸出的直流偏置會嚴(yán)重影響后級放大。本文采用1片AD603，后級采用多通道繼電器切換增益的方式。AD603單片實(shí)現(xiàn)10～30 dB放大，后級跟隨不同固定增益的放大電路來實(shí)現(xiàn)分段連續(xù)放大，最后達(dá)到整體增益連續(xù)可調(diào)的目的。

本設(shè)計(jì)由小信號程控放大10 dB放大及調(diào)零、帶寬濾波、后級功率放大、單片機(jī)及人機(jī)交互等電路組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。程控放大電路采用一片電壓控制芯片AD603實(shí)現(xiàn)-10～30 dB放大。調(diào)零放大電路采用OPA690構(gòu)成10 dB同相放大器兼做靜態(tài)調(diào)零電路。寬帶濾波電路采用2路7階巴特沃斯低通濾波器分別實(shí)現(xiàn)DC～5 MHz和DC～10 MHz帶寬限制。后級根據(jù)不同情況分別采用OPA690和THS3092實(shí)現(xiàn)10 dB與18dB固定增益功率放大。ATmegal28單片機(jī)通過10位串行D／A轉(zhuǎn)換器TLC5615控制AD603的放大倍數(shù)，通過控制繼電器組切換不同的濾波電路來實(shí)現(xiàn)不同的帶寬限制，切換不同的放大電路通道實(shí)現(xiàn)分段連續(xù)放大，最終實(shí)現(xiàn)整體增益0～60 dB連續(xù)可調(diào)，通過控制鍵盤和液晶顯示來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。
程控放大電路增益為-10～30 dB，3級固定增益放大電路增益分別為10 dB、10 dB和18 dB。當(dāng)希望放大器的增益為0～35 dB時(shí)，信號只通過程控放大、第1級10dB放大及調(diào)零電路、帶寬濾波電路，而后輸出到負(fù)載；當(dāng)希望放大器的增益為36～45 dB時(shí)，信號還要再通過第2級10 dB放大電路，而后輸出到負(fù)載；當(dāng)希望放大器的增益為46～60 dB時(shí)，信號通過程控放大、第1級10 dB及調(diào)零電路、濾波電路、第2級10 dB放大電路、第3級18 dB功率放大電路，而后輸出到負(fù)載。因此，只要實(shí)現(xiàn)第1級程控放大電路按步進(jìn)1 dB連續(xù)可調(diào)，通過繼電器組的切換后，信號分別從3個(gè)固定增益級輸出后即可實(shí)現(xiàn)O～35 dB、36～45 dB、46～60 dB增益分段連續(xù)可調(diào)，總增益步進(jìn)調(diào)節(jié)范圍涵蓋了O～60 dB。這樣分段設(shè)計(jì)成功解決了單片或多片壓控運(yùn)放控制范圍過寬時(shí)不易控制且容易振蕩的問題，而且降低了信號處理的難度，從而大大縮短了研發(fā)時(shí)間。