简易数字控制宽带放大器的设计与实现*

李一鸣，荣　军，邓　斌，易学良（.湖南理工学院计算机学院，湖南岳阳44006；2.湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳44006）

简易数字控制宽带放大器的设计与实现*

李一鸣1，荣军2*，邓斌1，易学良1
（1.湖南理工学院计算机学院，湖南岳阳414006；2.湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳414006）

设计一种数字控制的高增益宽带宽放大器，提出了采用多个放大器直接耦合级联方式，通过理论分析合理选择各级增益的分配，明显改善了放大器的低频特性，极大地提高了增益范围。系统由前置放大电路、程控增益放大电路、通频带选择电路、功率放大电路、单片机控制电路以及电源模块6个部分组成。经测试，本系统能够完成0MHz～10MHz频率范围内的0 dB～80 dB增益步进可调功能。在增益为60 dB时，输出电压噪声峰峰值小于0.3 V，很好的完成了系统的设计指标。

数字控制；带宽放大器；预置增益；巴特沃斯；通频带；

放大器是一种能把电压信号或者电流信号进行放大的的装置，在电学中能够实现信号和功率放大，广泛应用于通讯、广播、雷达、电视和自动控制等各种电子设备中［1，2］。放大器也是现代测量仪器中不可缺少的一个部分，仪器的灵敏度越高，噪声要求越低，越需要高增益，高性能，低噪声的放大器。由仪器的实际功能和要求的不同，对放大电路的要求也不一样，如放大器的带宽，增益高低，输入输出阻抗的高低等等。本文设计一种简易数字控制的宽带放大器，主电路采用多级级联放大，控制电路以MSP430G2553为主控芯片，功率放大电路由多个高速缓冲芯片BUF634并联组成，扩大了电流输出范围，实现了功率放大，具有精度高以及性价比高的优点。

1　理论分析与计算

1.1设计指标

本文要求设计并制作一个宽带直流放大器，并要求自制供电所用的直流稳压电源，设计指标如下：

（1）电压增益 AV≥40 dB，输入电压有效值Vi≤20mV，AV可在0 dB～40 dB范围内手动连续调节；

（2）最大输出电压正弦波有效值VO≥2V，输出信号波形无明显失真；

（3）3 dB通频带 0 MHz～5 MHz，在 0 MHz～4MHz通频带增益起伏不大于1 dB；3 dB通频带0MHz～10 MHz，在0MHz～9 MHz通频带增益起伏不大于1 dB。

1.2放大器的增益带宽积分析

增益带宽积（GBP）是指有源器件或电路的的增益与其规定带宽的乘积，它是评价放大器性能的一项重要指标。由设计要求可知，信号的最高频率为10MHz，最大电压增益不小于60 dB，即放大1 000倍，则单级放大的增益带宽积为：10MHz×1 000=10 GHz。为了减小增益带宽积对器件的要求，本文采用分级放大的方式，既能满足设计要求的60 dB的放大增益，又使得器件易于选择。

本文选择VCA810作为程控增益放大电路的核心器件，其增益控制范围为：-40 dB～40 dB，其他部分的电路都是根据VCA810来设计的。设计要求输入电压有效值不大于10 mV，最大输出电压有效值不小于10 V，即峰峰值不小于28.28 V。系统增益不小于60 dB，而VCA810的最大输出电压峰峰值为3.6 V，所以必须合理分配电路的各级放大倍数。

本文将VCA810作为系统的第1级放大，增益范围为：-40 dB～40 dB，再增加两级OPA690前置放大，放大26 dB。而后经过滤波电路衰减6 dB，后级功率放大电路中，AD811固定放大20 dB，所以整个系统的增益调节范围为：0 dB～80 dB，放大器的各级增益分配如图1所示。

图1　放大器各级增益分配图

1.3抑制直流零点漂移分析

在多级放大电路中，当信号频率很低或者为直流时，级间不能采用阻容耦合或者变压器耦合，此时需采用直接耦合方式，即前级放大电路的输出端直接与后级放大电路的输入端连接在一起，这种耦合方式既能放大交流信号，又能放大直流信号。但是却产生了一个新的问题，即零点漂移，如何解决零点漂移问题是放大器设计成败的关键。

设计要求通频带为5 MHz时，0 MHz～4 MHz内平坦度优于1 dB；通频带为10MHz时，0MHz～9 MHz内平坦度优于1 dB，即误差小于12%。所以在输入信号为直流电压时，输出信号起伏要在1 dB以内，即当增益为60 dB，输入信号为有效值10 mV时，最后输出的零点漂移电压要小于10 mV×60 dB×12%=1.2 V。为了保证最后输出的零点漂移电压尽可能小，系统在程控增益放大电路和前置放大电路中加入偏置调零电路，并且采用分级消除直流的方法更好的抑制零点漂移。另外在制作电源时，尽量减小电源的输出纹波，减小其对电路的影响。并且都选用低失调、低温漂的芯片。

2　系统软硬件设计与实现

系统总体设计原理框图如图2所示，系统采用MSP430G2553作为控制核心，采用VCA810作为程控增益的核心器件，BUF634作为功率放大的核心器件，系统主要包括6个模块组成：可控增益放大电路、前置放大电路、滤波电路、功率放大电路、电源电路、单片机控制模块。系统的增益调节范围为：0 dB～80 dB，其中由VCA810组成的可控增益放大电路能实现-40 dB～40 dB的调节范围；前置放大电路由OPA690组成，固定放大26 dB；滤波电路由两个巴特沃斯滤波器组成，用于选择系统的通频带；功率放大电路由AD811固定放大20 dB，再由多片BUF634并联输出，用于扩大输出电流；电源模块给整个系统提供电源；单片机控制部分作为系统的控制核心，可通过按键预置电路的增益大小和通频带，并通过液晶12864显示出来。

图2　系统总体设计原理框图

2.1程控增益放大电路设计

程控增益放大电路图如3所示，在图3中输入信号从VCA810的反相输入端输入，电阻R1是用于阻抗匹配，同时满足输入电阻50Ω的要求。为了抑制零点漂移问题，在VCA810同相输入端用电位器R2进行调零。电源通过磁珠滤波后，采用10 μF电容和0.1μF电容并联进行滤波，10μF电容用于滤除低频噪声，0.1μF电容用于滤除高频噪声，最大程度减小电源对电路的影响。通过单片机控制三极管Q1的导通来控制继电器U3，可以选择增益手动连续可调或者步进可调。当选择手动连续可调时，通过调节R8的大小来调节电压增益；当选择步进可调时，通过单片机的DAC输出直流电压，首先经过电压跟随器进行阻抗变换，将DAC的输出阻抗变为低输出阻抗，而后经过一级减法电路，将DAC的输出电压进行极性转换，将DAC输出的正电压变换为-2 V～0 V的负电压来控制VCA810的电压增益［3］。

图3　程控增益放大电路

2.2前置放大电路设计

信号经过VCA810程控放大后，进入前置放大电路，前置放大电路原理图如图4所示。图4设计了两级固定增益6 dB和20 dB的前置放大电路，电路由电压型运放OPA690构成反向放大电路组成，第1级放大倍数由R13和R11决定电路的电压增益为R11/R13=2倍，即6 dB。第2级放大倍数由R14和R12决定电路的电压增益为R12/R14=10倍，即20 dB。与前面分析的增益放大电路类似，这里也加入了零点漂移补偿电路，通过调节电位器R3和R6的大小，可解决电路的零点漂移问题［4］。

2.3滤波电路设计

为了能够预置通频带，系统采用两个继电器U1和U2用于切换滤波网络，实现通频带的切换。滤波器用50Ω电阻匹配，所以经由滤波网络的信号会有6 dB的衰减。滤波电路如图5所示。

图4　前置放大电路

图5　通频带选择电路

2.4功率放大电路设计

功率放大电路由电流反馈型运放AD811和高速电流缓冲器BUF634构成，两者都可使用±18 V电源供电。其中AD811具有2 500 V/μs的高压摆率，完全能满足题目的输出电压要求。本设计中AD811固定放大 10倍，此时的带宽高达 100 MHz。BUF634的带宽为30 MHz，压摆率也高达2 000 V/μs，输出电流为250mA，为了实现高输出电压并驱动50Ω负载电阻，电路采用4片BUF634并联，功率放大电路如图6所示［5］。

2.5直流稳压电源设计

系统前置放大部分需要±5 V供电，功率放大电路需要±18 V供电，所以要设计一个±5 V的电源和±18 V的电源。本设计中采用三端可调稳压芯片LM317和LM337其输出电压范围为：±1.2 V～±37 V，具体电路如图7所示。在电路图7中，交流电压经由变压器后输入到整流桥D3，而后正电压输入到LM317的输入端，负电压输入到LM337的输入端。图中的电容为滤波电容，电感为滤波电感。电阻R3和R4分别用于调节正负输出电压大小［6-7］。

图6　功率放大电路

2.6系统控制算法软件实现

软件程序部分采用模块化设计，由一个主程序和几个子程序组成。主程序通过调用子程序完成相应的功能。其中主程序流程图如图8所示。包括初始化模块、按键扫描设定模块、预置增益模块、AGC调节模块以及液晶显示模块［8］。

图8　主程序流程图

3　实验结果及分析

3.1放大器基本性能测试

测试仪器：FLUKE 17B数字万用表、RIGOL MSO2202A数字存储示波器。测试方法：用函数信号发生器产生频率1 MHz，有效值分别为10 mV，100mV，1V，2.5V正弦波输入，在带50Ω负载的条件下测试输出信号。直流测试和交流测试结果分别入表1和表2所示，从表1和表2看出实测增益与预置增益误差小于0.1 dB，超过技术指标设计要求。

表1　放大器基本性能测试（输入信号为直流）

表2　放大器基本性能测试（输入信号为交流）

3.2放大器通频带测试

测试方法：放大器的通频带分别设置为5MHz 和10 MHz的工作模式下，用函数信号发生器产生峰峰值为0.1 V的正弦波，预置增益为40 dB。改变信号的频率，用示波器测输出信号大小，测试结果如表3和表4所示，从表3和表4可以看出放大器可预置通频带，分别为0MHz～5MHz和0MHz～10 MHz两点。当设置为0MHz～5MHz时，放大器的-3 dB截止频率为5MHz，0MHz～4MHz内，增益起伏小于0.7 dB；当设置为0 MHz～10MHz时，-3 dB截止频率为10MHz，0MHz～9MHz内，增益起伏小于0.5 dB，完全满足技术指标要求。

表3　5MHz通频带测试

表4　10MHz通频带测试

4　结论

本文设计了以宽带压控增益放大器VCA810为核心的数字控制宽带放大器系统，其设计过程分为：系统的方案论证、核心器件的选型、各个模块的硬件电路设计、系统的软件设计、系统的整体调试。从系统的测试数据和结果分析可知，系统各项指标完全达到技术指标设计要求。整个系统重点在于模拟电路的设计和器件的选型，使用了一些高性能器件，从而简化了电路结构。自制稳压电源效率较高，并且采用低功耗的单片机，整个电路设计成本较低，功耗小，性价比高，十分具有应用价值。

［1］ 赵碧杉，曾攀，谢桂辉.一种可编程宽带放大器的设计［J］.电子设计工程，2009，17（7）：26-28.

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李一鸣（1979-），女，汉族，湖南岳阳人，硕士，讲师，湖南理工学院计算机学院，410006，主要从事计算机应用和电子产品设计工作，93210179@qq.com；

荣军（1978-），男，汉族，湖南岳阳人，硕士，讲师，湖南理工学院信息与通信工程学院，410006，主要从事开关电源以及学生考赛指导工作，rj1219@163.com。

Design and Implementation of Simple Digital Control Broadband Amplifier*

LI Yiming1，RONG Jun2*，DENG Bin1，YI Xueliang1
（1.School of Computer，Hunan Institute of Scienceand Technology，Yueyang Hu'nan 404006，China；2.Schoolof Information and Communication Engineering，Hunan Institute of Scienceand Technology，Yueyang Hu'nan 404006，China）

A digital control and high gain wide bandwidth amplifier is designed.Direct-coupling cascademode with multiple amplifiers is proposed，and reasonable selection of the distribution of gain atall levels is analyzed through theoretical analysis，and itgreatly improves the low frequency characteristic and greatly improves the gain range of the amplifier.The system consists of six parts：the preamplifier circuit，programmable gain amplifier，filter circuit，power amplifier circuit，single-chipmicrocomputer control circuitand power supplymodule.The system can accomplish from zero to eighty dB gain step adjustable function during zero to ten MHz frequency range through testing. When the gain is 60 dB，the outputvoltage noise peak-peak is less than 0.3 V，so it is very good to complete the design index of the system.

digital control；bandwidth amplifier；presetgain；Butterworth；passband

TM 46

A

1005-9490（2016）04-0879-07

项目来源：湖南省教育厅一般项目（15C0620，15C0622）

2015-08-05修改日期：2015-09-17

EEACC:122010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.025