宽带直流放大器的设计与实现

赵冬梅 宋阳 周波

摘  要：为放大模拟视频信号，利用STC12C5A60S2单片机为微控制器，以OPA699、THS3121为放大器的核心，设计实现增益可调的宽带直流放大器。经过测试，该放大器能实现0～40dB范围以5dB为步距的增益可调或连续可调，频带宽度为7.5MHz，能够基本不失真地放大模拟视频信号，具有较高的实用性。

关键词：宽带放大器;增益可调;单片机

中图分类号：TN710         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）26-0076-04

Abstract： In order to amplify the analog video signal， the STC12C5A60S2 single chip microcomputer is used as the microcontroller， and the OPA699 and THS3121 are used as the core of the amplifier to design and realize a broadband DC amplifier with adjustable gain. After testing， the amplifier can achieve gain adjustment or continuous adjustment in the range of 0～40dB with 5dB steps， and the bandwidth is 7.5MHz. Therefore， it can amplify analog video signals without distortion， and has high practicality.

Keywords： broadband amplifier; adjustable gain; single chip microcomputer

引言

放大是模拟电子技术中最基本的信号处理功能，它是通过放大电路实现的[1]。信号经过放大后，除了幅值增大外，还要保证波形不失真。由于绝大多数信号的频率都不是单一的，比如音频信号的频率范围为20Hz～20kHz，为保证信号的失真限定在允许的范围内，应设计放大电路的带宽和信号的带宽相匹配，故音响系统放大电路的带宽定在20Hz～20kHz。2020年初，新冠肺炎疫情爆发，病毒诊断、手术治疗、AI智能识别、远程视频会议等技术都无一例外地涉及视频信号的处理，为增强信号的亮度、色度和同步信号，首要环节是放大，而模拟视频信号的频率范围为0～4.5MHz，这个范围既宽且包含直流，为实现不失真地放大，需要设计宽带直流放大器。

1 總体方案设计

1.1 放大电路部分

放大电路部分的设计方案有两种，一种是利用分立元件，一种是利用集成运算放大器。分立元件的性能受外界环境影响较大，特别是温度，故这种方案电路稳定性差，且受分立元件内部极间电容和分布电容的影响，宽频带的要求也难以实现。集成运算放大器性能稳定、价格低，根据数据手册可以在增益和带宽之间找到较好的平衡，重点解决级间的调试以及外围电路的去耦即可[2]。经过性能对比，选择宽带、高增益集成运放OPA699和THS3121的级联构成放大电路部分。

1.2 控制及显示部分

为丰富放大器功能，增加控制及显示部分。为使增益及带宽可预置并显示，采用单片机作为微处理器，配上键盘、液晶显示屏等外设模块，利用三极管驱动继电器的方式切换反馈电阻从而控制放大器的增益。这是一个模数混合的系统，要注意使用必要的抗干扰技术使数字信号对模拟放大部分的干扰达到最小。这种方案电路比较简单，使用方便、直观，波形不失真，效果良好。

2 系统整体框图

系统整体设计框图如图1所示。

3 系统各模块电路的设计

3.1 单片机系统

单片机接收并判断按键值，控制增益和带宽选择，通过液晶显示增益值和带宽值。程序流程图如图2所示。

3.2 增益控制电路

增益控制的基本思路是由单片机数字程控，采用74LS154实现12路选择，选通继电器完成增益切换。使用三极管驱动继电器阵列控制输出电压的优点是电路噪声小、精度高、稳定性好。电路如图3所示，其中K1～K12为12个双路继电器的线圈。

3.3 三级放大电路

OPA699是宽带、高增益放大器，THS3121是低噪声、高输出驱动的电流反馈放大器。为了尽可能减小失真，采用OPA699作为中间级，THS3121作第一级和第三级。通过控制反馈电阻实现增益切换，电路如图4所示。图中K1～K12、K1'～K12'为双路继电器的两路控制选择端，与图3中的K1～K12相对应，一路继电器控制反馈电阻，另一路控制补偿电容。

3.4 放大电路稳定性设计

放大电路具有很高的灵敏度，容易受到元器件参数、环境温度、电源电压、负载大小等因素的影响而不稳定，通过采取以下措施提高放大器的稳定性。

（1）每一级放大电路都引入负反馈，可以提高闭环增益的稳定性、减小非线性失真和抑制反馈环内噪声等。

（2）采取多种抗干扰措施避免自激和干扰。

a.输入信号经过多级放大，使输出信号幅度变大，若由于版图布局的原因，在某频率点处使放大电路形成正反馈，即使输入端不加输入信号，输出端也会产生输出信号，即产生自激振荡。

解决办法：改善电路版图布局，使信号走线尽量不串扰;尽量减少信号传输中的电容效应;供电时在级间加入π型滤波网络消除级间干扰;各级放大电路统一供电;在各集成运算放大器的电源管脚处接小电容进行滤波;用地线把三级放大电路隔离开来;电源变压器尽量远离放大电路;电路输入端和增益控制部分装在屏蔽盒中。

b.在测试集成运算放大器负反馈电路的输出信号时，由于测试电缆过长或测试不恰当也会产生自激。

解决办法：缩短测试电缆的长度，采用同轴电缆作为测试线缆[3];在集成运放的输出级增加电流输出级;在集成运放的输出端和负反馈电阻的一端加一小阻值电阻，同时集成运放的输出端和负反馈电阻的另一端加一小电容，电容量由负反馈电阻和集成运放的输出电阻以及输出端的负载电容所确定[4]。

3.5 直流稳压电源

在本系统中，供电电源的稳定性决定着整个系统的稳定性，要求电源输出稳定，纹波小。

采用桥式整流、大电容滤波、三端集成稳压器稳压的方法，产生正负15V、正负5V的直流电压，选择LM317和LM337稳压芯片，电路如图5所示。

4 测试方法与数据

将上述各部分电路连接起来，接上50Ω负载电阻进行整体测试。

4.1 电压增益Av

输入端接入有效值分别为5mV、0.45mV，频率为10kHz的正弦信号，将电压放大倍数调到最高档，测量最大不失真输出电压的峰峰值，计算电压增益。

由表1的计算结果可知，输入电压有效值远小于10mV，电压增益大于60dB，不失真的极限值可达到输入信号有效值为0.45mV，放大增益高达86dB。表2说明增益可通过电位器在0～40dB范围内手动连续调节。

4.2 带宽

将增益设置为40dB，输入端先接入10mV的直流信号，再接入有效值为10mV的正弦信号，频率在0.02kHz～12MHz范围内变化，测量输出电压的有效值，计算实际增益及增益误差，测试数据如表3所示。

经计算，3dB通频带为7.5MHz，在0～5MHz频带范围内输出电压有效值范圍为0.9～1.04V，在0～9MHz频带范围内输出电压有效值范围为0.58～1.04V。若增益起伏为1dB，则输出电压有效值范围为0.89～1.122V，故在0～5MHz频带内满足增益起伏小于1dB的要求，所以，这个放大器的带宽与视频信号带宽匹配，能无失真地放大视频信号。

4.3 输出噪声电压

增益调到60dB，将输入端短路时输出电压峰-峰值为280mV左右，能满足实际的工程需求。

5 结束语

依据模拟视频放大电路的需求，设计并制作了一个宽带直流放大器。从指标来看，该放大器的电压增益最大可达86dB，能在0～40dB范围内手动连续调节，也可按5dB步进调节;通频带为7.5MHz，在0～5MHz范围内增益起伏小于1dB;噪声低、功耗小、无明显失真。

由于本设计偏重于模拟电路处理，在设计和制作电路过程中，特别注意采取多种抗干扰措施来避免自激和干扰，在电路排线布局、放大电路级间干扰、模拟地和数字地的区分等方面都做了相应处理。此外，测量也存在一定误差，误差主要来源于电磁干扰，由于测试场地有较多电子仪器设备，电磁噪声较大;多级放大电路级联的相互干扰也会造成测量误差;还有仪器仪表本身的误差，如当信号发生器产生几毫伏信号时，信号质量很差。下一步将着手从增大通频带、减低成本、提高效率等方面进行研究，继续改进电路。

参考文献：

[1]康华光.电子技术基础（模拟部分（第六版））[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2]何刚强，梁汉文，倪凯诚.程控宽带直流放大器设计[J].广东通信技术，2019（39）：67-70.

[3]黄明，徐德仁，李争平.宽带放大电路自激振荡成因分析与抑制的研究[J].电测与仪表，2018，55（6）：122-125.

[4]卢炳.低噪声放大器芯片HMC516在工程应用中的隐患[J].电子质量，2018（5）：10-13.