基于AD603数控高增益宽带放大器的设计

唐雁峰，李洪祚，李锐

(长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022)

随着电子技术、通信技术迅速发展，高增益宽带放大器在科研中的重要作用越来越突出。宽带运算放大器广泛应用信号处理、视频放大器等电路。这些电路不仅要求放大器有宽带宽，还要求具有高的放大增益。

1 放大器增益带宽积

对于放大器而言，增益和带宽是其非常重要的两个指标，而增益和带宽又是一对互相矛盾的参数，放大电路的增益随着频率的增加反而降低。用增益和带宽的乘积作为放大器的幅频特性参数可以求得应用频率范围内的最小增益。增益带宽积是放大器的一项重要指标，由运放的内部结构决定的，当增益增大的时候，相应的带宽就会因为运放的内部影响而减小；同时，带宽增大的时候，其相应的增益就会减小，但积是一个常数。

若放大器带宽为F，其上限截止频率=x，下限截止频率=y；那么在3dB的增益下，电压放大倍数AU为：

则Po是放大器输出功率，Pi是放大器输出功率。

2 系统设计方案

实现增益超过60dB、宽带超过4MHz的放大器。只用一级放大无法满足，因此本设计采用多级放大器级联的形式，考虑到放大器的低频特性，多级放大采用直接耦合的方式级联。利用 AVR单片机实现增益的数控，可以通过键盘完成放大增益的设置、步进调节，并通过液晶屏幕显示当前的增益状态。峰值检波电路，ADC转换电路和单片机构成了增益稳定自动控制电路，实时监测放大增益的波动，保证放大器当前设置增益的稳定性。由于三级放大器与两级放大器相比，增益大，带宽小，因此，本设计特别设计了由单片机控制的联动开关，可选择两级或三级放大，以满足不同的增益、带宽需求。

图1 高增益、宽带放大器原理框图Fig.1 Basic block diagram of a high gain and wide bandwidth amplifier

2.1 两级放大电路设计

AD603是一款8个引脚的高增益、带宽可调放大器。其最大增益实现50dB，带宽最大90MHz。通过改变5脚和8脚之间的反馈电阻，可以改变其带宽；调节1脚和2脚之间的电压可以改变放大增益。带宽在90MHz的时候，增益可以达到-10～30dB；带宽为30MHz的时候，增益可以达到0～40dB；带宽为9M的时候，增益可以达到10～50dB。

但是如果只用一个 AD603的话，其带载能力差，而且增益调节范围有限。因此采用两个AD603级联，其中第一级放大器以低放大倍数保证带宽，第二级放大器主要实现高增益放大。

其中VG为1脚和2脚间电压。

图2 两级AD603放大电路图Fig.2 Circuit of two-stage AD603 amplifier

采用数控方式实现放大器增益的调节，如果分别调节每个AD603的增益，则使数控变得复杂，且可靠性降低。本设计采用如图2电路连接方式，将第一级放大器2脚电压设置为固定值0.5V，将第二级放大器2脚电压设置为固定值1.5V。增益数控电路中DAC的输出电压同时接到第一、二级放大器的1脚，同时控制两级放大器的增益。两级放大器的增益变化如图3所示，可实现增益从0到60dB连续线性调节。

图3 两级放大器增益随与控制电压变化Fig.3 Change of gain with control voltage

2.2 第三级放大电路设计

AD603的供电电压最大为±6.2V，因此由两级AD603放大的信号幅度最大为5V左右，如果放大器增益设置为60dB，则其输入信号最大为5mV，放大器允许的输入信号太小，不利于实际使用。AD811是一款视频驱动放大器，其放大增益最大为12dB，供电电压±18V，因此放大信号幅度可达到15V左右。作为视频驱动放大器，具有较强的带载能力，可以驱动50负载。其放大增益将AD811的增益设置为2倍，以保证其带宽。

第三级放大器的加入使整个放大器的带宽比两级放大器减小。为了适应不同输入信号对增益、带宽、信号幅度的需要，采用数控两路联动开关，可以在两级或三级放大方式间切换，适应不同的放大需要。

2.3 增益自动控制电路设计

采用数控方式实现增益自动控制，由峰值检波电路取样输出电压，再由 ADC0809将取样电压转换为数字信号送由单片机处理，DAC0832将单片机提供的数字信号转换为控制电压同时提供给两路AD603，以保证放大器增益的稳定性。三极管的基极由单片机控制，产生10s的高电平使电容放电，以减少前一频率测量对后一频率测量的影响，提高幅值测量精度。

图4 峰值检波电路原理图Fig.4 Circuit schematic diagram of peak detection

2.4 增益数控调节电路设计

的创新点之一是采用数控方式进行放大器增益的调节。利用 DAC0832所产生的电压，控制两级AD603的1脚，以改变放大增益。通过键盘可以预设放大增益，实现放大增益0～60dB间5dB步进调节。

3 数控单元设计

图5 程序流程图Fig.5 Flow chart of software

采用AVRmegal16单片机作为处理器，完成对增益的自动控制、增益调节等功能。其软件流程如图5所示。

4 测试结果

本设计的放大器，实现了增益的数字控制调节，控制电压与增益(dB)在有效带宽内成线性关系，如图6。

图6 增益变化曲线Fig.6 Curves of gain with control voltage

输入信号有效值 10mV，放大器增益为 40dB时，其有效频率范围为4Hz～6MHz，在1KHz～5MHz内，其增益变化<1dB，如图7。

图7 增益40dB时带宽曲线Fig.7 Curves of bandwidth with 40dB

在输入信号有效值5mV，放大器增益为60dB时，其带宽为4Hz～4.4MHz，在通频带1KHz～3.8MHz内，其增益变化<1dB，如图8。

图8 60dB增益带宽曲线Fig.8 Curves of bandwidth with 60dB

5 结论

本设计采用三级放大器直接耦合级联方式，低频特性较好，下限频率可以达到几个赫兹，带宽大，可以达到6MHz；放大器增益调节范围大，可放大60dB，增益的稳定控制实现自动化，增益调节数控化；放大器输出电阻小，驱动能力强。该放大器可广泛应用于弱信号处理电路，视频驱动电路。

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