何清平　劉佐濂　陳瀅　許百如

摘要：該文以AVRmega16單片機作為控制核心，通過控制12位D/A對AD603實現(xiàn)增益可控放大，設(shè)計了一個在0～5MHz頻帶內(nèi)，增益0～40dB連續(xù)自動可調(diào)、增益波動小于1dB、在50[Ω]負載輸出最大電壓達22V的寬帶直流放大器。

關(guān)鍵詞：寬帶直流放大；AD603；增益可控

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）01-0213-03

寬帶放大器已廣泛應(yīng)用于A/D與 D/A 轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、積分器、波形發(fā)生器、視頻放大器等電路中[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2]的發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)可能需要放大從直流到幾十兆赫茲的信號，而普通的寬帶放大器對低頻及直流信號難以精密放大[3]。因此，需要設(shè)計交直流放大、寬頻帶、大增益、線性好及穩(wěn)定性高的寬帶直流放大器來滿足現(xiàn)實的需求。

本文以AVRmega16單片機作為控制核心，采用壓控可變增益寬帶放大器AD603實現(xiàn)程控增益放大，設(shè)計一個能從直流到5M的寬帶信號、增益0～40dB連續(xù)可調(diào)、驅(qū)動50[Ω]負載能輸出峰峰值高達22V的寬帶直流放大器。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

寬帶直流放大器的設(shè)計難度較大，主要有以下原因[4]：一是受制于增益帶寬積和可程控增益等因素，要實現(xiàn)大增益，需采用多級放大器串聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)；二是級間耦合需采用交/直流耦合能力的電阻耦合或直接耦合，不能采用僅有交流通路的變壓器耦合或電容耦合；三是電阻耦合或直流耦合因各級放大電路之間存在直流通路，其直流工作點不能相互獨立，需要設(shè)計系統(tǒng)的調(diào)零電路；四是零點漂移難以抑制，前級的零點漂移會通過直流耦合電路進入下一級進行放大，導(dǎo)致增益越高，級數(shù)越多，漂移越嚴重，影響電路的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示，它包括：系統(tǒng)控制電路、增益可控電路、增益微調(diào)電路、功率放大電路。使用旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)預(yù)設(shè)置增益，經(jīng)單片機AVR mega16送至LCD顯示，并在DAC7614產(chǎn)生與預(yù)設(shè)置增益對應(yīng)的控制電壓，控制AD603把輸入信號按預(yù)設(shè)置增益實現(xiàn)信號放大，經(jīng)增益微調(diào)電路和功率放大電路，輸出滿足用戶需求的信號。

2 電路設(shè)計及參數(shù)計算

2.1 增益可控放大電路的設(shè)計

AD603級聯(lián)的增益可控放大電路如圖2所示。AD603是美國ADI公司生產(chǎn)的一款低噪、90M帶寬增益電壓可調(diào)的放大器，可提供從直流到10MHz以上工作帶寬，其增益（dB）與控制電壓（V）成線性關(guān)系，易于用D/A輸出電壓控制放大器增益[5]。增益控制接口通過控制電壓[VG]（[VG]為引腳GPOS與引腳GNEG的電壓差）來控制輸入信號[GA]，且GPOS和GNEG端的輸入阻抗高達50M[Ω]。AD603通過引腳FDBK與VOUT之間的外接電阻實現(xiàn)增益與帶寬的平衡。AD603的整體增益計算公式[6]為：

[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]為外接電阻，[GF]為固定增益，[GA]為可控增益，[VG]為引腳GPOS與GNEG之間的電壓差值。當(dāng)[R]=0[Ω]（短路）時，固定增益[GF]/帶寬值為31.07dB/90MHz；當(dāng)R=[∞]時（斷路）時，固定增益[GF]/帶寬值為51.07dB/9MHz；當(dāng)外接電阻時，固定增益[GF]可設(shè)為31.07～51.07dB之間。因此，AD603是一個由外接電阻R設(shè)置固定增益[GF]（31.07～51.07dB）、以40dB/V的線性增益控制實現(xiàn)0～ -42.14dB的衰減器構(gòu)成的放大器。

本電路中，兩片AD603工作在[R]=0[Ω]（短路）模式中，其固定增益[GF]/帶寬值為31.07dB/90MHz。當(dāng)預(yù)置增益G確定后，由式（1）可計算D/A輸出的理論值為：[VG=（G-10）/42.14]，又因12位D/A輸出電壓[Vctr=Din212×Vref]，因此，單片機AVRmega16通過向12位的D/A芯片DAC7614輸出12位的[Din]，電壓[Vctr1]和[Vctr2]分別控制兩片AD603的衰減值[GA]，使Vout1輸出有效值為1伏，實現(xiàn)0～10MHz帶寬內(nèi)增益0～40dB可調(diào)。

圖2 AD603級聯(lián)的增益可控放大電路

2.2 增益微調(diào)電路設(shè)計

受限于D/A分辨率，為實現(xiàn)增益連續(xù)可調(diào)，可加入增益微調(diào)電路，如圖3所示。該電路由AD811與可調(diào)電阻組成負反饋放大電路，電路放大倍數(shù)為：[Av=R8/（R6+R7）]。通過手動調(diào)節(jié)R6的電阻值，可實現(xiàn)10MHz帶寬內(nèi)-6dB～1dB增益連續(xù)可調(diào)，滿足系統(tǒng)增益連續(xù)可調(diào)的要求。

2.3 功率放大電路設(shè)計

功率放大電路采用三個寬帶電流反饋放大器AD811并聯(lián)輸出，如圖4所示，AD811最大負載電流為150mA，其并聯(lián)輸出電流可達450mA，接50[Ω]負載時輸出最大有效值達22.5伏，滿足多種場合的應(yīng)用需求。

3 系統(tǒng)的程序設(shè)計與實測結(jié)果

3.1 主程序流程圖

系統(tǒng)的程序設(shè)計是通過單片機AVR mega16讀取旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)產(chǎn)生的脈沖信號，實現(xiàn)增益預(yù)設(shè)置并在LCD上顯示，同時根據(jù)增益預(yù)設(shè)置值控制DAC7614產(chǎn)生對應(yīng)的增益控制電壓值。其主程序流程圖如圖5所示。

3.2 實際結(jié)果分析

通過校準的信號源在輸入端加入有效值為19.6mV正弦波，在0Hz～7M頻帶內(nèi)按一定的頻率步進設(shè)置測試點，在每個測試點以10dB為步進 ，從0dB測試9組數(shù)據(jù)，測得電路的放大倍數(shù)與增益波動，接入50（±2）Ω的負載電阻，測試負載電阻兩端的輸出電壓，以頻率為x軸，輸出電壓為y軸得到的寬帶直流放大器特性曲線如圖6所示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了增益自動可控的寬帶直流放大器，實現(xiàn)了0～40dB增益范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并在0～5M的頻帶范圍內(nèi)獲得平坦的輸出，增益波動控制在1dB波動內(nèi)，具有較好的實用價值。

參考文獻：

[1] 王國偉，施樹春.可編程寬帶運算放大器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2008，30（3）：378-385.

[2] 林少晶.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展綜述[J].吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2012，28（12）：64-65.

[3] 鹿璇，任翔，羅國君，任卉.一種可控寬帶直流放大器的設(shè)計[J].宇航計測技術(shù)，2010，30（4）：63-65.

[4] 徐娟，周啟忠，岳琨，劉偉平.程控低噪聲寬帶直流放大器設(shè)計[J].宜賓學(xué)院學(xué)報，2011，11（6）：48-52.

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

[6] 侯鵬亮，江向陽.基于AD603寬帶直流放大器的設(shè)計[J].硅谷，2010（18）：46-47.