程控寬帶直流功率放大器的設(shè)計

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 程控放大及直流偏置調(diào)整電路
前級可控增益放大電路采用AD603壓控運放。AD603是一款溫度穩(wěn)定性高、噪聲低、精密控制的可變增益放大器。其通頻帶為90 MHz，基本增益Gain(dB)=40VG+10。其中，VG是壓控輸入電壓，控制電壓范圍為-O．5～+O．5 V，所以該放大器設(shè)計增益為-10～+30 dB。從此式還可以看出，以dB作為單位的對數(shù)增益和控制電壓之間是線性的關(guān)系，只要單片機(jī)進(jìn)行簡單的線性計算就可以控制對數(shù)增益，可以很準(zhǔn)確地實現(xiàn)增益步進(jìn)。
AD603的1、2腳為增益控制差分電壓輸入端，最大增益誤差為0．5 dB，壓控電壓由10位D／A轉(zhuǎn)換器TLC5615提供。TLC5615的2．5 V基準(zhǔn)電壓由精密可調(diào)電壓源TL431提供，最大輸出電壓為5 V，輸出電壓分辨率是4．9 mV，所以AD603的分辨率約為O．2 dB。因此，通過單片機(jī)內(nèi)預(yù)置數(shù)據(jù)表可以比較容易地實現(xiàn)增益步進(jìn)1 dB的預(yù)置。為了設(shè)計方便，實際設(shè)計時把AD603的2腳接入0．6 V固定電壓，1腳電壓由D／A轉(zhuǎn)換器DAC5615提供，因此要求DAC5615輸出的電壓范圍為O．1～1．1 V，即可滿足要求。
普通的寬帶放大器一般不包括直流成分，級與級之間通過電容耦合，這樣可以有效地避免各級之間靜態(tài)工作點相互影響。本項目要求放大器放大的信號頻率可延伸至直流，由于實際測試發(fā)現(xiàn)AD603輸出含有與增益無關(guān)的直流電壓，因此需要在AD603之后設(shè)置一級直流偏置調(diào)整電路。實際電路如圖2所示。電路采用精密運放OPA690構(gòu)成同相比例放大器，因前級電路的零點漂移電壓為正值，需在放大器的反相輸入端加一可調(diào)直流偏壓。

2．2 帶寬濾波電路
根據(jù)項目需要，設(shè)計時采用了DC～5MHz和DC～10 MHz兩種帶寬。綜合考慮帶內(nèi)增益波動、相位特性、設(shè)計難度，以及無源濾波器在高速、高階濾波方面相對于有源濾波器有較好性能的特點，濾波電路由分立元件LC組合而成，采用在通頻帶內(nèi)起伏最小的巴特沃斯低通濾波器。經(jīng)測試，7階下截止頻率為5 MHz時，0～4 MHz頻帶內(nèi)起伏小于1 dB；截止頻率為10 MHz時，O～9 MHz頻帶內(nèi)起伏也小于l dB。歸一化的7階巴特沃斯低通濾波器的電路圖如圖3所示。

根據(jù)公式，可計算出截止頻率分別為5 MHz、10 MHz，特性阻抗為50 Ω時的濾波器元件參數(shù)。其中，L’、C’為計算得到的值，L、C為對應(yīng)的歸一化數(shù)據(jù)，f為濾波器的截止頻率。具體計算結(jié)果如表1所列。

2．3 功率放大電路
若采用分立元件，使用大功率、高速三極管推挽輸出可以使放大器的輸出功率很高，驅(qū)動能力較強(qiáng)，但這種電路溫度漂移嚴(yán)重，低頻及直流時會嚴(yán)重影響輸出效果。若采用2片運放分別連接成同相和反相放大，通過差分取出信號，可以實現(xiàn)2倍于運放輸出的信號，但這種電路對運放相位要求較高，而且輸出信號為浮地。若采用專用的大電壓、高驅(qū)動電流反饋型集成運放芯片，本項目要求頻帶很寬，且輸出高電壓時輸出的電流很大，一般很難找到這類芯片。為滿足項目設(shè)計要求，進(jìn)一步擴(kuò)大輸出電流，本文采用2片同樣的電流反饋型運放THS3092并聯(lián)輸出。
THS3092是雙路高壓低失真電流反饋型運算放大器，可提供電壓為±15 V的線性功率放大，最大輸出電流為250 mA(2片并聯(lián)可達(dá)到500 mA)，轉(zhuǎn)換速率高達(dá)5700 V／ns，放大6 dB時帶寬為160 MHz，能夠滿足10MHz帶寬和高速系統(tǒng)的設(shè)計要求。當(dāng)輸出電壓從O V變化到15 V時，其電壓變換時間約為1 ns，完全能夠滿足高頻信號輸出不失真的要求。