宽带直流放大器的设计

何清平　刘佐濂　陈滢　许百如

摘要：该文以AVRmega16单片机作为控制核心，通过控制12位D/A对AD603实现增益可控放大，设计了一个在0～5MHz频带内，增益0～40dB连续自动可调、增益波动小于1dB、在50[Ω]负载输出最大电压达22V的宽带直流放大器。

关键词：宽带直流放大；AD603；增益可控

中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）01-0213-03

宽带放大器已广泛应用于A/D与 D/A 转换器、有源滤波器、积分器、波形发生器、视频放大器等电路中[1]。随着物联网技术[2]的发展，传感器网络可能需要放大从直流到几十兆赫兹的信号，而普通的宽带放大器对低频及直流信号难以精密放大[3]。因此，需要设计交直流放大、宽频带、大增益、线性好及稳定性高的宽带直流放大器来满足现实的需求。

本文以AVRmega16单片机作为控制核心，采用压控可变增益宽带放大器AD603实现程控增益放大，设计一个能从直流到5M的宽带信号、增益0～40dB连续可调、驱动50[Ω]负载能输出峰峰值高达22V的宽带直流放大器。

1 系统总体设计

宽带直流放大器的设计难度较大，主要有以下原因[4]：一是受制于增益带宽积和可程控增益等因素，要实现大增益，需采用多级放大器串联的电路结构；二是级间耦合需采用交/直流耦合能力的電阻耦合或直接耦合，不能采用仅有交流通路的变压器耦合或电容耦合；三是电阻耦合或直流耦合因各级放大电路之间存在直流通路，其直流工作点不能相互独立，需要设计系统的调零电路；四是零点漂移难以抑制，前级的零点漂移会通过直流耦合电路进入下一级进行放大，导致增益越高，级数越多，漂移越严重，影响电路的稳定性。

系统总体设计框图如图1所示，它包括：系统控制电路、增益可控电路、增益微调电路、功率放大电路。使用旋转编码开关预设置增益，经单片机AVR mega16送至LCD显示，并在DAC7614产生与预设置增益对应的控制电压，控制AD603把输入信号按预设置增益实现信号放大，经增益微调电路和功率放大电路，输出满足用户需求的信号。

2 电路设计及参数计算

2.1 增益可控放大电路的设计

AD603级联的增益可控放大电路如图2所示。AD603是美国ADI公司生产的一款低噪、90M带宽增益电压可调的放大器，可提供从直流到10MHz以上工作带宽，其增益（dB）与控制电压（V）成线性关系，易于用D/A输出电压控制放大器增益[5]。增益控制接口通过控制电压[VG]（[VG]为引脚GPOS与引脚GNEG的电压差）来控制输入信号[GA]，且GPOS和GNEG端的输入阻抗高达50M[Ω]。AD603通过引脚FDBK与VOUT之间的外接电阻实现增益与带宽的平衡。AD603的整体增益计算公式[6]为：

[G=GA+GF=42.14[R（VG）-0.5]+GF] （1）

其中：[GF=20Log（1+694+6440//R20）] （2）

[R（VG）=VG-0.50.5] [（-0.5≤VG≤0.5）（VG<-0.5）（VG>0.5）] （3）

式中[R]为外接电阻，[GF]为固定增益，[GA]为可控增益，[VG]为引脚GPOS与GNEG之间的电压差值。当[R]=0[Ω]（短路）时，固定增益[GF]/带宽值为31.07dB/90MHz；当R=[∞]时（断路）时，固定增益[GF]/带宽值为51.07dB/9MHz；当外接电阻时，固定增益[GF]可设为31.07～51.07dB之间。因此，AD603是一个由外接电阻R设置固定增益[GF]（31.07～51.07dB）、以40dB/V的线性增益控制实现0～ -42.14dB的衰减器构成的放大器。

本电路中，两片AD603工作在[R]=0[Ω]（短路）模式中，其固定增益[GF]/带宽值为31.07dB/90MHz。当预置增益G确定后，由式（1）可计算D/A输出的理论值为：[VG=（G-10）/42.14]，又因12位D/A输出电压[Vctr=Din212×Vref]，因此，单片机AVRmega16通过向12位的D/A芯片DAC7614输出12位的[Din]，电压[Vctr1]和[Vctr2]分别控制两片AD603的衰减值[GA]，使Vout1输出有效值为1伏，实现0～10MHz带宽内增益0～40dB可调。

图2 AD603级联的增益可控放大电路

2.2 增益微调电路设计

受限于D/A分辨率，为实现增益连续可调，可加入增益微调电路，如图3所示。该电路由AD811与可调电阻组成负反馈放大电路，电路放大倍数为：[Av=R8/（R6+R7）]。通过手动调节R6的电阻值，可实现10MHz带宽内-6dB～1dB增益连续可调，满足系统增益连续可调的要求。

2.3 功率放大电路设计

功率放大电路采用三个宽带电流反馈放大器AD811并联输出，如图4所示，AD811最大负载电流为150mA，其并联输出电流可达450mA，接50[Ω]负载时输出最大有效值达22.5伏，满足多种场合的应用需求。

3 系统的程序设计与实测结果

3.1 主程序流程图

系统的程序设计是通过单片机AVR mega16读取旋转编码开关产生的脉冲信号，实现增益预设置并在LCD上显示，同时根据增益预设置值控制DAC7614产生对应的增益控制电压值。其主程序流程图如图5所示。

3.2 实际结果分析

通过校准的信号源在输入端加入有效值为19.6mV正弦波，在0Hz～7M频带内按一定的频率步进设置测试点，在每个测试点以10dB为步进 ，从0dB测试9组数据，测得电路的放大倍数与增益波动，接入50（±2）Ω的负载电阻，测试负载电阻两端的输出电压，以频率为x轴，输出电压为y轴得到的宽带直流放大器特性曲线如图6所示。

4 结论

本文设计了增益自动可控的宽带直流放大器，实现了0～40dB增益范围内连续可调，并在0～5M的频带范围内获得平坦的输出，增益波动控制在1dB波动内，具有较好的实用价值。

参考文献：

[1] 王国伟，施树春.可编程宽带运算放大器的设计与实现[J].武汉理工大学学报，2008，30（3）：378-385.

[2] 林少晶.物联网技术发展综述[J].吉林工程技术师范学院学报，2012，28（12）：64-65.

[3] 鹿璇，任翔，罗国君，任卉.一种可控宽带直流放大器的设计[J].宇航计测技术，2010，30（4）：63-65.

[4] 徐娟，周启忠，岳琨，刘伟平.程控低噪声宽带直流放大器设计[J].宜宾学院学报，2011，11（6）：48-52.

[5] Analog Devices Inc.AD603–SPECIFICATIONS[S].2000.

[6] 侯鹏亮，江向阳.基于AD603宽带直流放大器的设计[J].硅谷，2010（18）：46-47.