引言
在自動(dòng)控制及自動(dòng)測量系統(tǒng)中,，需要把一些非電量(如溫度,、轉(zhuǎn)速、壓力)等參數(shù)通過傳感器轉(zhuǎn)變成電信號(hào),，這些微弱的電信號(hào)經(jīng)放大后就可以推動(dòng)測量,、記錄機(jī)構(gòu)或控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制或自動(dòng)測量,。
本文設(shè)計(jì)的放大器具有低噪聲,、高增益的特點(diǎn)。整體設(shè)計(jì)要求放大器的最大電壓增益為80 dB,，輸入電壓有效值Vi≤10 mV,。在Av=60 dB時(shí)，輸出端噪聲電壓的峰-峰值VONPP≤0.3 V,，3 dB通頻帶0～5／10 MHz可選,。在通頻帶內(nèi)增益起伏≤1 dB，負(fù)載電阻(50±2)Ω,，最大輸出電壓正弦波有效值Vo≥10 V,，輸出信號(hào)波形無明顯失真。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及理論分析
1．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)可分為4個(gè)模塊,，如圖1所示,。第1部分為輸入緩沖和固定增益放大模塊，運(yùn)放搭建電壓跟隨器作為輸入緩沖,，同時(shí)提高輸入阻抗,，固定增益放大部分將輸入的微弱信號(hào)放大到適合后級(jí)處理的電壓范圍；第2部分為分檔濾波模塊,，設(shè)計(jì)有5 MHz,、10 MHz兩個(gè)低通濾波器，通過低噪聲繼電器切換,，滿足帶寬可預(yù)設(shè)的要求,；第3部分為可控增益放大模塊，實(shí)現(xiàn)80 dB的動(dòng)態(tài)增益變化,；第4部分為功率放大模塊,，驅(qū)動(dòng)50 Ω負(fù)載。
本系統(tǒng)的難點(diǎn)在動(dòng)態(tài)增益和功率輸出兩個(gè)方面,，下面對(duì)其進(jìn)行理論分析,。
1．2 動(dòng)態(tài)增益的理論分析
設(shè)計(jì)指標(biāo)要求增益動(dòng)態(tài)范圍為80 dB，將80 dB分配在固定增益放大,、可控增益放大和功率放大3個(gè)模塊,。先確定可控增益放大模塊的增益動(dòng)態(tài)范圍,，就可以方便地分配另兩個(gè)模塊的增益。
由于VCA810的線性增益調(diào)節(jié)范圍為-40～40 dB,，如圖2所示,。但經(jīng)實(shí)際電路測試當(dāng)增益高于30 dB時(shí)，電路容易出現(xiàn)自激振蕩,，此處采用兩級(jí)VCA810級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)-40～40 dB的動(dòng)態(tài)范圍,。固定增益放大器增益設(shè)定為10 dB。以THS3001為核心的后級(jí)功放電路增益設(shè)定為30 dB,。因此,，該系統(tǒng)增益調(diào)節(jié)范圍為0～80 dB。
1．3 運(yùn)放擴(kuò)壓輸出的理論分析
當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載電阻為(50±2)Ω時(shí),，最大輸出電壓Vo≥10 V,，則由公式P=U2／RL，可得,，系統(tǒng)輸出功率的最大值為Pmax=102／(50-2)=2．08(W),。經(jīng)前置放大和中放電路放大后，不具備驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力,，需經(jīng)末級(jí)功率放大電路放大后才能達(dá)到系統(tǒng)對(duì)輸出功率的要求,。
考慮到除高壓運(yùn)放以外，一般運(yùn)放的最大輸出電壓在供電電壓為±15 V時(shí)僅有±12 V左右,，不能滿足輸出10 V有效值的要求,。此處采用浮動(dòng)運(yùn)放電源電壓的方法將輸出電壓幅度擴(kuò)展，利用互補(bǔ)對(duì)稱功放電路將輸出電流增大,。
運(yùn)算放大器的常規(guī)電源供電方式如圖3(a)所示,。電源供電直接取自穩(wěn)壓電源如圖3(b)所示，運(yùn)放的供電電壓不再直接取自穩(wěn)壓電源,，而是由兩個(gè)三極管的發(fā)射機(jī)提供,。R1=R2=R3=R4，忽略VBE壓降,，則運(yùn)放的供電電壓為：
由于三極管的作用,，運(yùn)算放大器的供電電壓隨輸出電壓的變化而變化，但是運(yùn)放的正負(fù)供電電壓之差則保持不變,。
經(jīng)Multisim軟件仿真,，將圖3中兩種運(yùn)算放大器的最大輸出電壓進(jìn)行比較，兩電路均設(shè)置為放大10倍的反相放大器,。仿真結(jié)果顯示,，圖3(b)電源接法放大器最大輸出為±24 V左右，圖3(a)常規(guī)電源接法放大器的最大輸出電壓為±12 V左右,。圖4(a)為最大不失真輸出電壓的波形,，此時(shí)的輸入電壓為土2．5 V,，頻率為1 MHz，圖4(b)為同樣輸入±2．5 V,、1 MHz信號(hào)時(shí)的輸出波形,，可見信號(hào)已經(jīng)嚴(yán)重截止失真。
2 核心硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 可變?cè)鲆骐娐?br />
可變?cè)鲆婺K選用TI公司的高增益可調(diào)寬帶壓控放大器VCA810,，其特性包括高增益可調(diào)范圍-40～+40dB，增益控制準(zhǔn)確度±1．5 dB(高精度型號(hào)為±0．9 dB),，差分輸入單端輸出,，不變的增益帶寬35 MHz，dB／V增益線性度±0．3 dB,，增益控制帶寬25 MHz,，低輸出DC誤差小于40 mV，高輸出電流±60 mA,，低工作電流24．8 mA,。
VCA810的工作原理是通過對(duì)其引腳3施加直流電壓來控制增益的大小?？刂齐妷号c增益的函數(shù)關(guān)系式為：
當(dāng)Vc從0 V變化到-2 V時(shí),，增益從-40 dB線性地變化到+40 dB。另外,，當(dāng)Vc電壓超過0 V時(shí),，增益為-80 dB。
VCA810電路原理圖如圖5所示,，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,，此處采用兩片VCA810級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)80 dB的動(dòng)態(tài)范圍，增益控制方式有手動(dòng)和預(yù)設(shè)兩種,。
當(dāng)工作在手動(dòng)模式時(shí),，通過電位器分壓來提供Vc信號(hào)，當(dāng)工作在預(yù)設(shè)模式時(shí),，通過鍵盤輸入增益值,，然后經(jīng)過單片機(jī)D／A輸出提供Vc信號(hào)。
2．2 功率放大電路
此模塊要對(duì)前級(jí)可控增益放大模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行功率放大,，最后驅(qū)動(dòng)50 Ω的負(fù)載電阻,。如圖6所示，此處設(shè)計(jì)利用前文分析到的運(yùn)放擴(kuò)壓輸出電路先對(duì)信號(hào)進(jìn)行電壓放大,，然后進(jìn)行電流放大,，繼而完成功率放大的功能。
THS3001具有高達(dá)6 500 V／μs的轉(zhuǎn)換速率,，420 MHz的-3 dB帶寬和良好的帶內(nèi)平坦度,，在110 MHz時(shí),，增益僅下降0．1 dB；大信號(hào)應(yīng)用時(shí)具有40 ns的建立時(shí)間,；差分增益誤差小于0．01％,，差分相位誤差小于0．02％；非線性失真小于-96 dB,；電源電壓可在±4．5～±15 V之間選擇,。
電流放大部分采用MOSFET IRF9610和IRF610搭建的甲乙類放大器放大THS3001輸出的信號(hào)，電路如圖6所示,。IRF610,、IRF9610屬于Vishay公司的第3代Power MOSFET，為設(shè)計(jì)者提供了轉(zhuǎn)換快速,、堅(jiān)固耐用,、低導(dǎo)通阻抗和高效益的強(qiáng)力組合。
3 測試
3．1 測試條件
在室溫25℃,，普通實(shí)驗(yàn)室條件下,，采用掃頻儀對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行幅頻特性測試，采用信號(hào)源,、示波器對(duì)系統(tǒng)的放大倍數(shù)進(jìn)行測試,。
3．2 測試方案及數(shù)據(jù)
通過函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生0～15 MHz有效值1 V的正弦波，然后經(jīng)過-40 dB衰減器,，產(chǎn)生有效值為10 mV的待測信號(hào),。通過按鍵輸入放大器預(yù)設(shè)增益，用雙蹤示波器分別觀測系統(tǒng)輸入和輸出信號(hào)的大小,。圖7為部分測試結(jié)果的折線圖,，系統(tǒng)最大增益達(dá)80dB，帶內(nèi)增益起伏小于1dB,。
在增益為40 dB時(shí),，增大輸入信號(hào)幅度，觀察50 Ω負(fù)載上的最大不失真輸出信號(hào)幅度,，經(jīng)測試,，最大不失真電壓峰峰值為42 V。
在增益為60 dB時(shí),，將輸入端與地短接,，測出輸出端噪聲電壓的峰峰值為0．2 V。
3．3 測試結(jié)果分析
由以上數(shù)據(jù)可知,，系統(tǒng)在輸出功率方面有良好的性能,，輸出功率可達(dá)4．41 W，超過設(shè)計(jì)指標(biāo)2 W的要求。最大不失真輸出電壓為峰峰值42 V,，比Multisim軟件仿真最大不失真輸出電壓峰峰值48 V小6 V,，考慮到三極管參數(shù)不完全對(duì)稱等器件的實(shí)際情況，此結(jié)果可證明改進(jìn)型運(yùn)放供電電路切實(shí)有效,?？勺?cè)鲆娣秶鸀?～80dB，若在VCA810模塊中增加頻率補(bǔ)償和前后匹配等相關(guān)措施,，增益動(dòng)態(tài)范圍仍可進(jìn)一步擴(kuò)展,，80 dB時(shí)失真度仍然很小，有進(jìn)一步提高增益的可能性,。0～60dB增益范圍內(nèi)系統(tǒng)的噪聲抑制特性良好,。測試過程中的誤差主要來源于電磁干擾，以及信號(hào)源的噪聲電平,。
結(jié)語
寬帶放大器以壓控增益放大器VCA810和超高速電流反饋放大器THS3001為核心,，利用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)增益的預(yù)設(shè),，總增益范圍為0～80dB,，通頻帶為0～15 MHz，最大輸出電壓峰峰值達(dá)42 V,。前置放大器采用低噪聲電壓反饋寬帶放大器OPA2690,，大大提高輸入電阻。后級(jí)功率放大采用運(yùn)放擴(kuò)壓和擴(kuò)流輸出電路,，有效地提高了系統(tǒng)的帶負(fù)載能力,。