寬帶直流放大器

在現代電子設備、通訊設備和科研生產(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(jìn)行提取、放大。只有將信號放大到一定程度才能滿(mǎn)足后級設備的要求，使分析結果正確。同時(shí)很多設備還要求具有一定輸出功率，才能驅動(dòng)后級設備或使通信的發(fā)射端將信號有效傳輸到接收端。然而面對多種多樣的放大要求，現在的放大電路難以在頻帶、增益動(dòng)態(tài)范圍、功率等參數滿(mǎn)足設計要求。為此，這里設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，增益調節范圍為0～75 dB，帶寬可設置為5 MHz或10 MHz兩種，后級功率放大電路可輸出20 V的峰峰值。該系統成本低廉，精度高，滿(mǎn)足一般生產(chǎn)科研實(shí)驗要求，可應用于多種場(chǎng)合，具有推廣性。

1 系統設計方案
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(shí)現的。AD603具有單通道、寬頻帶、低噪音、低畸變、高增益精度等特性，其內部是由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò )和固定增益放大器構成，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(guò)單片機進(jìn)行運算并控制D／A轉換器輸出其控制電壓來(lái)獲得的，從而實(shí)現較精確的數字控制。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，穩定性好，滿(mǎn)足系統要求。
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(guò)改變放大器的增益實(shí)現不同倍數放大，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)放大電路結構較為簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，且輸出波形可無(wú)明顯失真。該系統選用高壓低失真電流反饋型放大器THS-3091，最大驅動(dòng)電流可達350 mA，3片THS3091最大可提供為l050mA的電流，完全滿(mǎn)足系統設計要求。
1．3 濾波電路
根據系統設計要求，需要一個(gè)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(jià)格高。因此，該方案采用七階無(wú)源橢圓濾波器，該濾波器具有結構簡(jiǎn)單、成本低廉、帶寬大，穩定性好，波動(dòng)小等特點(diǎn)。并利用濾波器設計軟件filter solution快速設計出通帶波動(dòng)小阻帶衰減大的濾波器。

2 系統硬件電路設計
系統總體設計方案如圖1所示，該系統由前級信號調理電路、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。

該系統設計的前級信號調理電路可對輸入信號進(jìn)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(shí)現-10～+30 dB的放大；加法器電路可實(shí)現對信號的零點(diǎn)漂移的有效調節，從而抑制零點(diǎn)漂移；以繼電器為核心的濾波器選擇電路可實(shí)現對信號的帶寬為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(shí)現0．01，0．5，5，10倍的放大；功率放大電路由3片THS3091并聯(lián)構成，驅動(dòng)50 Ω負載，輸出信號峰-峰值可達20 V且無(wú)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電容構成低通濾波器濾除輸入電壓噪音，引腳1的電平通過(guò)16位高精度D／A轉換器MAX541來(lái)調節增益放大，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(guò)10μF和0．1μF并聯(lián)接地去耦，提高系統穩定，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(kāi)關(guān)MAX309和THS3091構成，MAX309導通電阻約100Ω，可通過(guò)10 MHz以上的信號，容性負載小，使用方便，易于編程，可通過(guò)FPGA對MAx309進(jìn)行開(kāi)關(guān)選通，前級為同相放大，放大倍數為2倍，有利于信號隔離和傳輸，提高驅動(dòng)負載能力，該電路可對輸入信號實(shí)現0．01、0．1、1、10倍的放大，如圖3所示。