基于A(yíng)VR的可預置程控寬帶直流功率放大電路方案設計

　　1 系統總體方案

　　若采用可編程放大的思想，將輸入的信號作為高速D/A轉換器的基準電壓，那么D/A轉換器作為一個(gè)程控衰減器，對速度的要求很高。同時(shí)，為了實(shí)現O～60 dB增益可調，勢必需要D/A轉換器輸出衰減最少60 dB以上。假設信號源有效值低于20 mV，衰減后為20 μV，如此小的信號有可能完全被噪聲淹沒(méi)，或大大增加信號調理的難度。

　　也可采用2片AD603壓控增益寬帶放大器，每片實(shí)現-10～30 dB增益。通過(guò)測試發(fā)現，AD603輸出含有與增益無(wú)關(guān)的直流電壓，由于項目要求頻率可延伸至直流，即級與級之間不能加電容耦合隔離直流，則前級AD603輸出的直流偏置會(huì )嚴重影響后級放大。本文采用1片AD603，后級采用多通道繼電器切換增益的方式。AD603單片實(shí)現10～30 dB放大，后級跟隨不同固定增益的放大電路來(lái)實(shí)現分段連續放大，最后達到整體增益連續可調的目的。

　　本設計由小信號程控放大10 dB放大及調零、帶寬濾波、后級功率放大、單片機及人機交互等電路組成。系統總體結構框圖如圖1所示。程控放大電路采用一片電壓控制芯片AD603實(shí)現-10～30 dB放大。調零放大電路采用OPA690構成10 dB同相放大器兼做靜態(tài)調零電路。寬帶濾波電路采用2路7階巴特沃斯低通濾波器分別實(shí)現DC～5 MHz和DC～10 MHz帶寬限制。后級根據不同情況分別采用OPA690和THS3092實(shí)現10 dB與18dB固定增益功率放大。ATmegal28單片機通過(guò)10位串行D/A轉換器TLC5615控制AD603的放大倍數，通過(guò)控制繼電器組切換不同的濾波電路來(lái)實(shí)現不同的帶寬限制，切換不同的放大電路通道實(shí)現分段連續放大，最終實(shí)現整體增益0～60 dB連續可調，通過(guò)控制鍵盤(pán)和液晶顯示來(lái)實(shí)現人機交互。

　　程控放大電路增益為-10～30 dB，3級固定增益放大電路增益分別為10 dB、10 dB和18 dB。當希望放大器的增益為0～35 dB時(shí)，信號只通過(guò)程控放大、第1級10dB放大及調零電路、帶寬濾波電路，而后輸出到負載;當希望放大器的增益為36～45 dB時(shí)，信號還要再通過(guò)第2級10 dB放大電路，而后輸出到負載;當希望放大器的增益為46～60 dB時(shí)，信號通過(guò)程控放大、第1級10 dB及調零電路、濾波電路、第2級10 dB放大電路、第3級18 dB功率放大電路，而后輸出到負載。因此，只要實(shí)現第1級程控放大電路按步進(jìn)1 dB連續可調，通過(guò)繼電器組的切換后，信號分別從3個(gè)固定增益級輸出后即可實(shí)現O～35 dB、36～45 dB、46～60 dB增益分段連續可調，總增益步進(jìn)調節范圍涵蓋了O～60 dB。這樣分段設計成功解決了單片或多片壓控運放控制范圍過(guò)寬時(shí)不易控制且容易振蕩的問(wèn)題，而且降低了信號處理的難度，從而大大縮短了研發(fā)時(shí)間。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 程控放大及直流偏置調整電路

　　前級可控增益放大電路采用AD603壓控運放。AD603是一款溫度穩定性高、噪聲低、精密控制的可變增益放大器。其通頻帶為90 MHz，基本增益Gain(dB)=40VG+10。其中，VG是壓控輸入電壓，控制電壓范圍為-O.5～+O.5 V，所以該放大器設計增益為-10～+30 dB。從此式還可以看出，以dB作為單位的對數增益和控制電壓之間是線(xiàn)性的關(guān)系，只要單片機進(jìn)行簡(jiǎn)單的線(xiàn)性計算就可以控制對數增益，可以很準確地實(shí)現增益步進(jìn)。

　　AD603的1、2腳為增益控制差分電壓輸入端，最大增益誤差為0.5 dB，壓控電壓由10位D/A轉換器TLC5615提供。TLC5615的2.5 V基準電壓由精密可調電壓源TL431提供，最大輸出電壓為5 V，輸出電壓分辨率是4.9 mV，所以AD603的分辨率約為O.2 dB。因此，通過(guò)單片機內預置數據表可以比較容易地實(shí)現增益步進(jìn)1 dB的預置。為了設計方便，實(shí)際設計時(shí)把AD603的2腳接入0.6 V固定電壓，1腳電壓由D/A轉換器DAC5615提供，因此要求DAC5615輸出的電壓范圍為O.1～1.1 V，即可滿(mǎn)足要求。

　　普通的寬帶放大器一般不包括直流成分，級與級之間通過(guò)電容耦合，這樣可以有效地避免各級之間靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響。本項目要求放大器放大的信號頻率可延伸至直流，由于實(shí)際測試發(fā)現AD603輸出含有與增益無(wú)關(guān)的直流電壓，因此需要在A(yíng)D603之后設置一級直流偏置調整電路。實(shí)際電路如圖2所示。電路采用精密運放OPA690構成同相比例放大器，因前級電路的零點(diǎn)漂移電壓為正值，需在放大器的反相輸入端加一可調直流偏壓。

　　2.2 帶寬濾波電路

　　根據項目需要，設計時(shí)采用了DC～5MHz和DC～10 MHz兩種帶寬。綜合考慮帶內增益波動(dòng)、相位特性、設計難度，以及無(wú)源濾波器在高速、高階濾波方面相對于有源濾波器有較好性能的特點(diǎn)，濾波電路由分立元件LC組合而成，采用在通頻帶內起伏最小的巴特沃斯低通濾波器。經(jīng)測試，7階下截止頻率為5 MHz時(shí)，0～4 MHz頻帶內起伏小于1 dB;截止頻率為10 MHz時(shí)，O～9 MHz頻帶內起伏也小于l dB。歸一化的7階巴特沃斯低通濾波器的電路圖如圖3所示。

　　根據公式，可計算出截止頻率分別為5 MHz、10 MHz，特性阻抗為50 Ω時(shí)的濾波器元件參數。其中，L’、C’為計算得到的值，L、C為對應的歸一化數據，f為濾波器的截止頻率。具體計算結果如表1所列。

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