寬帶直流放大器

在現(xiàn)代電子設(shè)備、通訊設(shè)備和科研生產(chǎn)中常需要利用放大電路將傳感器輸出的微弱信號或通信接收端接收到空中微弱的信號進行提取、放大。只有將信號放大到一定程度才能滿足后級設(shè)備的要求，使分析結(jié)果正確。同時很多設(shè)備還要求具有一定輸出功率，才能驅(qū)動后級設(shè)備或使通信的發(fā)射端將信號有效傳輸?shù)浇邮斩?。然而面對多種多樣的放大要求，現(xiàn)在的放大電路難以在頻帶、增益動態(tài)范圍、功率等參數(shù)滿足設(shè)計要求。為此，這里設(shè)計一種寬帶直流放大器，該直流放大器的頻率從0 Hz到10 MHz，增益調(diào)節(jié)范圍為0～75 dB，帶寬可設(shè)置為5 MHz或10 MHz兩種，后級功率放大電路可輸出20 V的峰峰值。該系統(tǒng)成本低廉，精度高，滿足一般生產(chǎn)科研實驗要求，可應(yīng)用于多種場合，具有推廣性。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案
1．1 可控增益放大
可控增益放大由可變增益放大器(VGA)AD603實現(xiàn)的。AD603具有單通道、寬頻帶、低噪音、低畸變、高增益精度等特性，其內(nèi)部是由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，施加在其梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，增益量是由增益控制接口參考電壓決定；而該參考電壓是通過單片機進行運算并控制D／A轉(zhuǎn)換器輸出其控制電壓來獲得的，從而實現(xiàn)較精確的數(shù)字控制。此外AD603能提供由直流到30 MHz以上的工作帶寬。電路集成度高，易于單片機控制，穩(wěn)定性好，滿足系統(tǒng)要求。
1．2 后級功率放大
采用多片集成運算放大器并聯(lián)組成后級功率放大電路，通過改變放大器的增益實現(xiàn)不同倍數(shù)放大，多片放大器并聯(lián)可提供較大的輸出電流。多片集成運算放大器并聯(lián)放大電路結(jié)構(gòu)較為簡單，易于實現(xiàn)，且輸出波形可無明顯失真。該系統(tǒng)選用高壓低失真電流反饋型放大器THS-3091，最大驅(qū)動電流可達350 mA，3片THS3091最大可提供為l050mA的電流，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。
1．3 濾波電路
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，需要一個5 MHz和10 MHz的低通濾波器，一般集成濾波器和有源濾波電路都難以達到上述帶寬要求，且價格高。因此，該方案采用七階無源橢圓濾波器，該濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、帶寬大，穩(wěn)定性好，波動小等特點。并利用濾波器設(shè)計軟件filter solution快速設(shè)計出通帶波動小阻帶衰減大的濾波器。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示，該系統(tǒng)由前級信號調(diào)理電路、可控增益電路、加法器電路、濾波選擇電路、后級程控放大電路和后級功率放大電路組成。

該系統(tǒng)設(shè)計的前級信號調(diào)理電路可對輸入信號進行阻抗匹配以及10倍放大，以提高輸入信號的信噪比；可控增益放大電路是以AD603為核心組成的，可對輸入信號實現(xiàn)-10～+30 dB的放大；加法器電路可實現(xiàn)對信號的零點漂移的有效調(diào)節(jié)，從而抑制零點漂移；以繼電器為核心的濾波器選擇電路可實現(xiàn)對信號的帶寬為5 MHz或1O MHz的選擇；由MAX309和THS309l組成的后級程控放大電路可對信號分別實現(xiàn)0．01，0．5，5，10倍的放大；功率放大電路由3片THS3091并聯(lián)構(gòu)成，驅(qū)動50 Ω負載，輸出信號峰-峰值可達20 V且無明顯失真。
2．1 可控增益放大電路
可控增益放大電路是以可變增益放大器AD603為核心，信號直接輸入AD603的引腳3，引腳2輸入偏置電壓，并聯(lián)10 μF電容構(gòu)成低通濾波器濾除輸入電壓噪音，引腳1的電平通過16位高精度D／A轉(zhuǎn)換器MAX541來調(diào)節(jié)增益放大，該的基準電壓是MAX6225的輸出電壓。AD603的5引腳與7引腳短接使其工作增益范圍為-10～+30 dB，帶寬為90 MHz狀態(tài)下，而其供電電壓通過10μF和0．1μF并聯(lián)接地去耦，提高系統(tǒng)穩(wěn)定，抑制自激，如圖2所示。

2．2 后級程控放大電路
后級程控放大電路主要由模擬開關(guān)MAX309和THS3091構(gòu)成，MAX309導(dǎo)通電阻約100Ω，可通過10 MHz以上的信號，容性負載小，使用方便，易于編程，可通過FPGA對MAx309進行開關(guān)選通，前級為同相放大，放大倍數(shù)為2倍，有利于信號隔離和傳輸，提高驅(qū)動負載能力，該電路可對輸入信號實現(xiàn)0．01、0．1、1、10倍的放大，如圖3所示。