基于可调程控的宽带直流放大器设计

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摘 要：本系统采用可控增益放大器VCA810和宽带低噪声运放OPA2846结合的方式，通过主控芯STC12C5A60S2控制D/A输出电压调整VCA810增益，并且能够有效地实现0～60dB可调增益.还加入BUF634并联模块以提高系统的带载能力，之后使用巴特沃兹无源低通滤波电路对放大器的带宽进行限制，同时滤除噪声.末级采用THS3092两路并联功率放大模块对输出功率进行放大，使整个系统输出最大有效值达到6V本系统具有带宽增益可调范围大，能够有效抑制直流零点漂移，放大器稳定性高等特性。

关键词：宽带放大器；可控增益；VCA810

本系统设计一个基于可调程控的宽带直流放大器，要求增益可调范围为0～60dB，信号的通频带保持在0～5MHz，最大带宽增益积为5GHz，输出电压有效值可达6V，具有通频带内增益平坦，能够抑制直流零点漂移，并且能够保持放大器的稳定性。文章根据上述要求设计的系统主要包括四个模块：固定增益放大模块、可变增益放大模块、低通滤波器模块及功率放大模块。

1 系统总体框架

如图1所示，本系统以STC12C5A60S2作为控制与运算核心，将输入信号输入到第一级放大电路进行增益放大，再经第二级放大电路滤除杂波和进行功率放大后得到符合要求的输出信号。其中，第一级放大电路主要包含固定增益放大模块和可变增益放大模块，第二级低通滤波器模块和功率放大模块。另外，STC12C5A60S2主要用于可变增益放大模块的程控和输出调制电压的实时显示。为使第一级放大电路和第二级放大电路不互相影响，文章在两级电路之间加入一个缓冲级。

2 实现原理

2.1 带宽增益积。本系统信号通频带为0～5MHz，最大电压增益Av≥60dB，则系统增益带宽积为：5M×10^（60/20）=5GHz

2.2 通频带内增益起伏控制。对于通频带增益起伏的控制，本系统需要设置放大器的频率范围为0～5M，因此必须保证0～5M通频带内增益保持平坦。通过选择通带最平坦的巴特沃兹滤波器来预置带宽，使得放大器在这个预置频率范围内保持增益平坦。

2.3 抑制直流零点漂移。放大器输入为零时，输出出现的电压称为输出的偏置电压。偏置随时间、温度、电源电压等一起变化的情况称为零点漂移。由于VCA810本身零点漂移较大，最大能达到30mV，故应尽量减少使用VCA810的数量，在增益控制中，本系统采用一片VCA810可变增益放大与OPA2846固定增益放大配合，通过单片机程控输出信号放大通路实现0～60dB可调增益，OPA2846的输入偏置电压仅为0.15mV，THS3092在±5V供电时输入偏置电压仅为0.3mV，均能够很有效地抑制零点漂移。

2.4 放大器稳定性

系统的稳定性取决于系统的相位裕量，相位裕量是指放大器开环增益为0dB时的相位与180°的差值，放大器一般会有自激的问题，有的情况是由于在放大器的相移为180°时，其增益仍然大于1，这种情况可以在反馈环路中增加零点来做相位补偿.总体来说，自激振荡是由于信号在通过运放及反馈回路的过程中产生了附加相移，用？驻？准？住表示低频段的附加相移，？驻？准F表示高频段的附加相移，当输入某一信号频率为f0，使？驻？准？住+？驻？准F=N？仔（N为奇数），反馈量使输入量增大，电路产生正反馈。由于本系统中的反馈均为运放单级反馈，故应注意使每级运放自身产生的附加相移小180°，在电路调试过程中，对于电压反馈型运放OPA2846，VCA810，我们可以人为地引入电阻、电容，他们在f0处产生的附加相移为？驻？准B，若使得？驻？准B+？驻？准？住+？驻？准F≠N？仔（N为奇数），则自激振荡得以消除，对于高速，宽带的电流反馈型运放THS3092，我们特别注意了走线布局，如反馈环一定要走最短路线，因为长的线也会引起更大的附加相移；计算选择了合适的反馈电阻阻值，使其不因阻值太大而产生更大的分部电容，导致更大的附加相移；也不因阻值太大而降低放大器的带宽。

3 主要功能模块设计

3.1 第一级放大电路设计。第一级放大电路包含固定增益放大模块及可变增益放大模块。OPA2846固定增益放大模块设置固定增益为20dB，再加上VCA810可变增益范围为-40dB～40dB，采用单片机程控D/A输出电压控制VCA810的电压增益可调范围为-20dB～40dB，这样就能实现0dB～60dB可调增益。

3.2 第二级放大电路设计。第二级放大电路包含低通滤波器模块及功率放大模块。第二级放大电路加入了5MHz的LC低通滤波器以滤除杂波。为获得放大器通频带内最平坦的幅频特性曲线，使用滤波器设计软件Multism设计并制作了三阶巴特沃斯5M低通滤波器测试表明信号经过滤波器后会衰减为原来的1/2，故在滤波器后加入由THS3092搭建的10倍增益放大器，使输出功率增大的同时有效恢复原来电压的幅度。为获得6V有效值及大电流输出，我们采用两路THS3092并联扩流的方式搭建功率放大模块。

3.3 功率缓冲设计。本系统中采用了由多个高速缓冲器BUF634并联的功率驱动模块，实现了扩流输出，提升了放大器带负载能力。BUF634是高速缓冲芯片，可用±18V供电，输出电流达250mA，压摆率2000V/uS。BUF634在高带宽模式下的带宽为180MHz，但单片BUF634难以达到理想的摆幅要求，因此采用几片BUF634并联的方法来达到摆幅要求，经由实验测试，由2片BUF634并联就可达到理想的摆幅和负载。

3.4 各级电源设计。本系统采用±5V电源为VCA810可变增益放大器、OPA2846固定增益放大器及单片机供电；为满足6V有效电压的输出，采用±18V电源为THS3902并联功率放大电路供电；±5V、±18V电源采用线性稳压块7805、7905、7818、7918搭建。

3.5 主控制器选择。选用STC12C5A60S2单片机对系统进行控制，单片机主要完成以下功能：一是用按键控制D/A输出的电压，实现对放大器VCA810的增益控制；二是用A/D采集D/A输出的电压，并将电压值实时显示在1602液晶屏幕上。

3.6 抗干扰处理。本系统在实际制作中通过采用地线将整个运放电路包围，以吸收高频信号、减少噪声的方法来减少干扰，避免自激。在增益控制部分和后级功率放大部分也都采用此方法。另外，在功率放大级电路中，这种方法可以有效避免高频信号辐射。

4 系统软件设计

本系统使用STC12C5A60S2单片机作为控制核心，启动系统后，单片机自带A/D自动读取当前D/A输出电压值，并且显示在LCD1602上，通过按键控制可以调节控制D/A输出的电压，从而达到程控调节电压增益的目的。

5 结束语

文章设计的可调程控宽带直流放大器实现了0～60dB范围的可调增益，0～5MHz的信号通频带，并且通过BUF634并联模块提高了系统的带载能力，最后经过功率放大之后能使整个系统输出最大有效值达到6V。经过测试，系统具有带宽增益可调范围大，能够有效抑制直流零点漂移，放大器稳定性高等特点。

参考文献

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