引言

在自動(dòng)控制及自動(dòng)測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)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(wú)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(guò)低噪聲繼電器切換，滿(mǎn)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(xiàn)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(cè)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(mǎn)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(chēng)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(jiàn)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?/p>

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(xiàn)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(guò)對(duì)其引腳3施加直流電壓來(lái)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(xiàn)性地變化到+40 dB。另外，當(dāng)Vc電壓超過(guò)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(guò)電位器分壓來(lái)提供Vc信號(hào)，當(dāng)工作在預(yù)設(shè)模式時(shí)，通過(guò)鍵盤(pán)輸入增益值，然后經(jīng)過(guò)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(xiàn)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(lèi)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(cè)試

3．1 測(cè)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(cè)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(cè)試。

3．2 測(cè)試方案及數(shù)據(jù)

通過(guò)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(guò)-40 dB衰減器，產(chǎn)生有效值為10 mV的待測(cè)信號(hào)。通過(guò)按鍵輸入放大器預(yù)設(shè)增益，用雙蹤示波器分別觀測(cè)系統(tǒng)輸入和輸出信號(hào)的大小。圖7為部分測(cè)試結(jié)果的折線(xiàn)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(cè)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(cè)出輸出端噪聲電壓的峰峰值為0．2 V。

3．3 測(cè)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(guò)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(chēng)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。可變?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(cè)試過(guò)程中的誤差主要來(lái)源于電磁干擾，以及信號(hào)源的噪聲電平。

結(jié)語(yǔ)

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。