宽带直流放大器

孙健兴，马正亚，王 汪

（武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉 430079）

在现代电子设备、通讯设备和科研生产中常需要利用放大电路将传感器输出的微弱信号或通信接收端接收到空中微弱的信号进行提取、放大。只有将信号放大到一定程度才能满足后级设备的要求，使分析结果正确。同时很多设备还要求具有一定输出功率，才能驱动后级设备或使通信的发射端将信号有效传输到接收端。然而面对多种多样的放大要求，现在的放大电路难以在频带、增益动态范围、功率等参数满足设计要求。为此，这里设计一种宽带直流放大器，该直流放大器的频率从0 Hz到10 MHz，增益调节范围为0～75 dB，带宽可设置为5 MHz或10 MHz两种，后级功率放大电路可输出20 V的峰峰值。该系统成本低廉，精度高，满足一般生产科研实验要求，可应用于多种场合，具有推广性。

1 系统设计方案

1.1 可控增益放大[1]

可控增益放大由可变增益放大器（VGA）AD603实现的。AD603具有单通道、宽频带、低噪音、低畸变、高增益精度等特性，其内部是由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，施加在其梯型网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，增益量是由增益控制接口参考电压决定；而该参考电压是通过单片机进行运算并控制D/A转换器输出其控制电压来获得的，从而实现较精确的数字控制。此外AD603能提供由直流到30 MHz以上的工作带宽。电路集成度高，易于单片机控制，稳定性好，满足系统要求。

1.2 后级功率放大

采用多片集成运算放大器并联组成后级功率放大电路，通过改变放大器的增益实现不同倍数放大，多片放大器并联可提供较大的输出电流。多片集成运算放大器并联放大电路结构较为简单，易于实现，且输出波形可无明显失真。该系统选用高压低失真电流反馈型放大器THS3091，最大驱动电流可达 350 mA，3片THS3091最大可提供为 1 050 mA的电流，完全满足系统设计要求。

1.3 滤波电路[2]

根据系统设计要求，需要一个5 MHz和10 MHz的低通滤波器，一般集成滤波器和有源滤波电路都难以达到上述带宽要求，且价格高。因此，该方案采用七阶无源椭圆滤波器，该滤波器具有结构简单、成本低廉、带宽大，稳定性好，波动小等特点。并利用滤波器设计软件filter solution快速设计出通带波动小阻带衰减大的滤波器。

2 系统硬件电路设计

系统总体设计方案如图1所示，该系统由前级信号调理电路、可控增益电路、加法器电路[3]、滤波选择电路、后级程控放大电路和后级功率放大电路组成。

图1 系统总体设计框图

该系统设计的前级信号调理电路可对输入信号进行阻抗匹配以及10倍放大，以提高输入信号的信噪比；可控增益放大电路是以AD603为核心组成的，可对输入信号实现-10～+30 dB的放大；加法器电路可实现对信号的零点漂移的有效调节，从而抑制零点漂移；以继电器为核心的滤波器选择电路可实现对信号的带宽为5 MHz或10 MHz的选择；由MAX309和THS3091组成的后级程控放大电路可对信号分别实现 0.01，0.5，5，10倍的放大； 功率放大电路由 3片THS3091并联构成，驱动50 Ω负载，输出信号峰-峰值可达20 V且无明显失真。

2.1 可控增益放大电路[4]

可控增益放大电路是以可变增益放大器AD603为核心，信号直接输入AD603的引脚3，引脚2输入偏置电压，并联10 μF电容构成低通滤波器滤除输入电压噪音，引脚1的电平通过16位高精度D/A转换器MAX541来调节增益放大，该的基准电压是MAX6225的输出电压。AD603的5引脚与7引脚短接使其工作增益范围为-10～+30 dB，带宽为90 MHz状态下，而其供电电压通过10 μF和0.1 μF并联接地去耦，提高系统稳定，抑制自激，如图2所示。

图2 可控增益放大电路

2.2 后级程控放大电路

后级程控放大电路主要由模拟开关MAX309和THS3091构成，MAX309导通电阻约100 Ω，可通过10 MHz以上的信号，容性负载小，使用方便，易于编程，可通过FPGA对MAX309进行开关选通，前级为同相放大，放大倍数为2倍，有利于信号隔离和传输，提高驱动负载能力，该电路可对输入信号实现0.01、0.1、1、10倍的放大，如图3所示。

图3 后级程控放大电路

2.3 后级功率放大电路

后级功率放大电路由3片THS3091并联构成，±15 V供电时，最大输出电压峰峰值可达20 V，根据该器件数据资料，THS3091输出电流最大可达350 mA，为了达到输出功率的要求，使用3个THS3091进行并联，负载电阻由4只200 Ω电阻并联组成。信号由同相端输入，增益设置为3.8倍，起到隔离和放大信号的作用，如图4所示。

图4 后级功率放大电路设计

3 系统软件设计

本系统软件部分由以单片机[5]为核心的最小系统构成，进入欢迎界面后通过ENTER键可进入主菜单界面。通过不同的按键可选择不同的软件设置，系统软件设计有两档校准放大电路中零点漂移，自动校准和手动校准。按键2可对放大系统带宽进行选择，按键3可选择增益调节方式为手动连续调节，按键4可对电压增益进行预置，预置范围为 0～75 dB，步距为5 dB。对系统所有设置可实时显示，人机交互界面友好，软件设计详细流程如图5所示。

图5 系统软件流程设计

4 测试方案与测试结果

4.1 测试条件

对该带宽直流放大器在28℃室温的环境下进行测试，其而测试仪器及型号如下：直流稳压电源，SG1733SB3A；60 M示波器，Tektronix TDS1002； 数字信号源，Tektronix AFG310；PC机，联想Windows XP；仿真机，E51/S伟福仿真机。

4.2 测试结果

表1给出在放大器的通频带为5 MHz，输入信号有效值为20 mV，预置增益放大为40 dB的测试条件下，改变其输入信号的频率，所测得的输出信号的峰峰值；表2给出在放大器的通频带为10 MHz，输入信号有效值为5 mV，预置增益放大为60 dB的测试条件下，改变其输入信号的频率，所测得的输出信号的峰峰值。其最大输出电压峰峰值为20 V。

表1 5 MHz带宽下，宽带放大器幅频特性测试数据

表2 10 MHz带宽下，宽带放大器幅频特性测试数据

5 结束语

以VGA AD603为放大器核心的宽带直流放大器，实现了对 0～10 MHz正弦信号的0～75 dB放大，带宽可设置为5 MHz或10 MHz两种，在50 Ω负载下最大输出电压峰峰值为20 V。如果采用MSP430F449代替以单片机AT89C55WD和FPGA构成的最小系统的控制可以增加性价比，同时可进一步减小噪声。后级功率放大电路可采用±18 V代替±15 V，可进一步将信号的峰峰值提高到28 V以上，同时后级应采取一些保护措施（如加风扇）减小后级电路的温度，增强系统稳定性。该系统设计采用PCB制作，可增加抗干扰性，抑制自激，具有广泛的市场空间。

[1]Analog Devices Inc.AD603 Data sheet[EB/OL].2003.http://www.analog-g.com/productSe-lection/pdf/AD603_pra.pdf.

[2]阿瑟·B·威廉斯.电子滤波器设计手册[M].喻春轩，译.北京:电子工业出版社，1986.

[3]谢自美.电子线路设计实验测试 [M].2版.武汉:华中科技大学出版社，2003.

[4]黄根春，陈小桥，张望先.电子设计教程[M].北京:电子工业出版社，2007.

[5]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，1999.

[6]董尚斌，苏利，代永红.电子线路（一）[M].北京:清华大学出版社，2007.