增益带宽可调放大器

杨 曌

（东南大学，211189）

0 前言

在实际应用中，需要放大的信号往往在一定频率范围内变化，显然，带宽和增益是放大器的两个重要指标。低噪声、宽频带、高效率的放大器设计在工业中经常出现，并且要求的指标不断提高。本文介绍一款前级为可变增益放大器(VGA)AD603 调节增益，后级为电流反馈型运放THS3091 放大功率，并采用负反馈思想抑制零点漂移问题的设计方案，此方案还采取多种措施来抵抗干扰，降低噪声，获得很好的效果。

1 设计的主要技术指标

2.1 放大器电压增益Av ≥40dB，在0～40dB 范围内手动连续调节，或5dB 步距调节；

2.2 在最大增益下，放大器可过直流，可（1MHz、2MHz、4MHz 三点）预置并显示，并尽量减小带内波动，衰减斜率≥-40db/ 十倍频；

2.3 在50Ω 的负载上，放大器最大不失真输出电压峰峰值≥10V。

2.4 放大器输入为正弦波时，可测量并数字显示输出电压的峰峰值和有效值，输出电压（峰峰值）测量范围为0.5～10V，相对误差小于5% ；

2 理论分析与方案选择

综合分析设计指标，主要难点共有三个方面：一是在较宽的带宽内实现较大的放大能力，且以两种方式调节增益;二是保证实现要求的功率输出；三是放大电路的零点漂移问题，因为带宽下限为0Hz，高精度放大器必须最大程度解决零点漂移。

2.1 带宽增益积

2.2 放大器稳定性

为了使放大器稳定，设计时不能接近自激振荡的条件：幅度平衡条件|AF|=1，相位平衡条件φA+φF=π 和起振条件|AF| 略大于1，留有裕量越大，放大器愈不易产生自激振荡，但设计也就愈困难。

对于电压反馈型运放AD603，人为引入电阻、电容，使它在原自激振荡频率处产生附加相移，不再满足自激条件。对于电流反馈型运放THS3091，采取注意走线布局、选用合适反馈电阻，使其不因阻值过大而产生大分布电容或降低带宽。

2.3 负反馈抑制零点漂移

零点漂移是放大器输入为零时，输出端的电压不为零，并且电压偏置随时间、温度、电源电压等一起变化的现象。由于AD603 本身的零点漂移较大，最大为30mV，所以在AD603输出端引入自动零偏调理电路，即将AD603 输入短路,不断采样AD603 的输出直流偏置电压,送入单片机处理并通过D/A 输出，在调零放大器的调零端加入对应的校正电压，使这个直流偏置电压为零。功率放大电路中，则应尽量采用低温漂运放。

此增益带宽可调放大器主要确定以下五个模块：

2.3.1 可变增益放大的选择

采用低噪声、精密控制的可变增益放大器AD603 作增益控制核心器件，其温度稳定性高，增益(dB) 与控制电压(V)成线性关系，使用D/A 输出控制电压能实现精确数控。

2.3.2 程控滤波的选择

选择无源RC 低通巴特沃兹滤波器（Butterworth），其电路简单，具有通带内最大平坦的振幅特性，但是会令信号衰减。

2.3.3 功率放大的选择

THS3091 是高电压输出的宽带运放，在功率放大电路中经常使用到。电路设计周期短，但成本较高。

2.3.4 负反馈抑制零点漂移的选择

因为OPA690 芯片选择具有高转换速率1800V ／ us，单位增益带宽积为500MHz（G=1），所以采用它使电路更可靠稳定。

2.3.5 单片机数据处理和控制

采用单片机MSP430F169 实现整个系统的统一控制和数据处理。该单片机是一种16位超低功耗微处理器，具有丰富的片上外设和较强的运算能力，支持在线编程，使用方便。

3 电路主要模块设计

3.1 AD603 可变增益放大电路

如图1 所示，由于AD603 的输入阻抗为100Ω，故在输入端接入电阻到地，降低输入阻抗。通过继电器选择，1 脚电压由手动调节电位器控制或由单片机D/A 输出控制，改变1、2 脚间电压差，从而调节增益。如果5、7 脚间接2.15k 的反馈电阻，那么AD603 的增益在0 到40dB 范围内。

图1 AD603 可变增益放大电路

3.2 巴特沃斯滤波器

分别设计-3dB 时截止频率为1MHz、2MHz 和4MHz 的3阶无源巴特沃兹滤波器。根据滤波器设计手册，可以查表得到所需要的电容电感值，根据滤波器软件仿真得到的幅频特性曲线对电容电感值做调整。图2 为4MHz 的巴特沃兹滤波器的电路和仿真幅频特性曲线图。

图2 4MHz 巴特沃兹滤波器的电路和仿真幅频特性曲线

3.3 功率放大电路

如图3 左图所示，为满足大电流的输出，采用两级THS3091 并联扩流的方式，供电，设计增益为5 倍，该模块可同时对功率和幅值放大。

3.4 抑制零点漂移

该部分采用电压反馈型运放OPA690 和单片机相结合的方式，如下右图所示。在可控增益模块后，OPA690 正端连接信号输出端，负端口连接D/A 输出，从而调节零漂。

图3 功率放大电路图和负反馈抑制零点漂移电路

4 测试结果

4.1 测试仪器

函数信号发生器：F120

数字示波器：TDS1002

直流电压源：DF1731SC2A

4.2 测试结果

接50Ω 电阻负载，输入电压小于20mV，输出不失真电压放大倍数约为160 倍；通频带测试结果为0Hz-4.4MHz，大于上限频率，增益随频率的衰减斜率约为-42dB/十倍频；输出电压（峰峰值）测量范围为0.5～10V，测量相对误差小于2% ；负载最大不失真输出电压为10.7V，转动电位器可连续调节增益，通过按键可实现增益步进、通频带选择与液晶屏显示功能。

5 总结

从测试结果来看，该增益带宽可调放大器的指标均达到设计要求精度较高。本次设计还创新地使用自动化专业的单闭环负反馈原理，有效地解决了AD603 的零漂问题，并且，为寻求较高的精度，采取多种措施抗干扰，在很大程度上消除弱信号电路遇到的各种噪声影响，例如：不同级电路之间采用同轴电缆屏蔽线连接；采用手工PCB 工艺，尽量减少分布参数的影响；去耦电容紧靠芯片电源引脚；地线回路包围电路板；功放加风扇散热等。该放大器充分考虑了电路的效率与成本，具有很高的工业实用参考价值。

[1]刘京南.电力电子基础.北京:电子工业出版社.2009

[2]田玉平.自动控制原理（第二版）.北京:科学出版社.2006