程控宽带直流功率放大器的设计

摘要：以压控运放AD603、功率运放THS3092、10位串行D／A芯片TLC5615和AVR单片机ATmegal28为核心，以液晶屏、键盘为人机接口，通过软件补偿增益误差，设计一种可编程控制电压增益的大功率宽带直流放大器。该放大器可实现O～60 dB增益范围内1 dB步进可调和DC～10MHz带宽，控制误差不大于3％，50 Ω负载上最大不失真输出有效值达到10 V。
关键词：宽带直流功率放大器；AD603；频带预置；THS3092

引言
    在许多生物电信号测试过程中，需要对从直流成分到几十Hz带宽内、高内阻、弱信号传感器的输出信号进行放大处理，参考文献设计了这种信号的放大电路。随着微电子技术的发展，宽带运算放大器已经广泛应用于A／D与D／A转换器、有源滤波器、精密比较器、波形发生器和视频放大器等各种电路中，参考文献设计了这种信号放大电路。在很多信号采集系统中，传感器输出的电压信号变化范围较大，经固定增益放大后得到的信号幅值有时波动达几十dB。信号幅值过大会超出后续信号处理设备的输入电压范围，造成损坏器件的严重后果，而幅值过小可能丢失有用信号。参考文献在程序中用软件控制放大器增益，设计了解决这个问题的电路。针对宽带高精度数据采集系统，参考文献采用价格比较昂贵的FPGA和DSP芯片设计了一种大动态范围、低失真直流耦合模拟前端。该设计采用一个可控粗放大和程控细放大2级放大电路，既保证信号的带宽，又满足对微弱信号的放大需求。
    上述文献均未提到程控宽带直流功率放大器的方法，而在实际科研和测量仪器中，希望当输入信号的频率在DC～10 MHz以及幅度大范围变化时，输出信号的频带和幅度大小能按需要调节和预置，甚至输出电压有效值高达10 V且能显示。这就要求对电路进行优化设计，兼顾工艺制造，才能设计出性价比更高的宽带直流放大器。本文采用AVR单片机ATmegal28作为核心控制器，结合10位串行D／A芯片TLC5615、功率运放THS3092、可编程增益运放AD603以及其他相关电路，构成了可预置程控宽带直流功率放大电路。该电路系统增益调节范围为O～60 dB，步进间距为1 dB，频带为DC～10 MHz，输出电压有效值为10 V，矩阵键盘预置增益值步进，点阵液晶显示实时电压有效值，人机界面友好，操作简单方便。

1 系统总体方案
    若采用可编程放大的思想，将输入的信号作为高速D／A转换器的基准电压，那么D／A转换器作为一个程控衰减器，对速度的要求很高。同时，为了实现O～60 dB增益可调，势必需要D／A转换器输出衰减最少60 dB以上。假设信号源有效值低于20 mV，衰减后为20 μV，如此小的信号有可能完全被噪声淹没，或大大增加信号调理的难度。
    也可采用2片AD603压控增益宽带放大器，每片实现-10～30 dB增益。通过测试发现，AD603输出含有与增益无关的直流电压，由于项目要求频率可延伸至直流，即级与级之间不能加电容耦合隔离直流，则前级AD603输出的直流偏置会严重影响后级放大。本文采用1片AD603，后级采用多通道继电器切换增益的方式。AD603单片实现10～30 dB放大，后级跟随不同固定增益的放大电路来实现分段连续放大，最后达到整体增益连续可调的目的。

    本设计由小信号程控放大10 dB放大及调零、带宽滤波、后级功率放大、单片机及人机交互等电路组成。系统总体结构框图如图1所示。程控放大电路采用一片电压控制芯片AD603实现-10～30 dB放大。调零放大电路采用OPA690构成10 dB同相放大器兼做静态调零电路。宽带滤波电路采用2路7阶巴特沃斯低通滤波器分别实现DC～5 MHz和DC～10 MHz带宽限制。后级根据不同情况分别采用OPA690和THS3092实现10 dB与18dB固定增益功率放大。ATmegal28单片机通过10位串行D／A转换器TLC5615控制AD603的放大倍数，通过控制继电器组切换不同的滤波电路来实现不同的带宽限制，切换不同的放大电路通道实现分段连续放大，最终实现整体增益0～60 dB连续可调，通过控制键盘和液晶显示来实现人机交互。
    程控放大电路增益为-10～30 dB，3级固定增益放大电路增益分别为10 dB、10 dB和18 dB。当希望放大器的增益为0～35 dB时，信号只通过程控放大、第1级10dB放大及调零电路、带宽滤波电路，而后输出到负载；当希望放大器的增益为36～45 dB时，信号还要再通过第2级10 dB放大电路，而后输出到负载；当希望放大器的增益为46～60 dB时，信号通过程控放大、第1级10 dB及调零电路、滤波电路、第2级10 dB放大电路、第3级18 dB功率放大电路，而后输出到负载。因此，只要实现第1级程控放大电路按步进1 dB连续可调，通过继电器组的切换后，信号分别从3个固定增益级输出后即可实现O～35 dB、36～45 dB、46～60 dB增益分段连续可调，总增益步进调节范围涵盖了O～60 dB。这样分段设计成功解决了单片或多片压控运放控制范围过宽时不易控制且容易振荡的问题，而且降低了信号处理的难度，从而大大缩短了研发时间。

2 系统硬件设计
2．1 程控放大及直流偏置调整电路
    前级可控增益放大电路采用AD603压控运放。AD603是一款温度稳定性高、噪声低、精密控制的可变增益放大器。其通频带为90 MHz，基本增益Gain(dB)=40VG+10。其中，VG是压控输入电压，控制电压范围为-O．5～+O．5 V，所以该放大器设计增益为-10～+30 dB。从此式还可以看出，以dB作为单位的对数增益和控制电压之间是线性的关系，只要单片机进行简单的线性计算就可以控制对数增益，可以很准确地实现增益步进。
    AD603的1、2脚为增益控制差分电压输入端，最大增益误差为0．5 dB，压控电压由10位D／A转换器TLC5615提供。TLC5615的2．5 V基准电压由精密可调电压源TL431提供，最大输出电压为5 V，输出电压分辨率是4．9 mV，所以AD603的分辨率约为O．2 dB。因此，通过单片机内预置数据表可以比较容易地实现增益步进1 dB的预置。为了设计方便，实际设计时把AD603的2脚接入0．6 V固定电压，1脚电压由D／A转换器DAC5615提供，因此要求DAC5615输出的电压范围为O．1～1．1 V，即可满足要求。
    普通的宽带放大器一般不包括直流成分，级与级之间通过电容耦合，这样可以有效地避免各级之间静态工作点相互影响。本项目要求放大器放大的信号频率可延伸至直流，由于实际测试发现AD603输出含有与增益无关的直流电压，因此需要在AD603之后设置一级直流偏置调整电路。实际电路如图2所示。电路采用精密运放OPA690构成同相比例放大器，因前级电路的零点漂移电压为正值，需在放大器的反相输入端加一可调直流偏压。

2．2 带宽滤波电路
    根据项目需要，设计时采用了DC～5MHz和DC～10 MHz两种带宽。综合考虑带内增益波动、相位特性、设计难度，以及无源滤波器在高速、高阶滤波方面相对于有源滤波器有较好性能的特点，滤波电路由分立元件LC组合而成，采用在通频带内起伏最小的巴特沃斯低通滤波器。经测试，7阶下截止频率为5 MHz时，0～4 MHz频带内起伏小于1 dB；截止频率为10 MHz时，O～9 MHz频带内起伏也小于l dB。归一化的7阶巴特沃斯低通滤波器的电路图如图3所示。

    根据公式，可计算出截止频率分别为5 MHz、10 MHz，特性阻抗为50 Ω时的滤波器元件参数。其中，L’、C’为计算得到的值，L、C为对应的归一化数据，f为滤波器的截止频率。具体计算结果如表1所列。

2．3 功率放大电路
    若采用分立元件，使用大功率、高速三极管推挽输出可以使放大器的输出功率很高，驱动能力较强，但这种电路温度漂移严重，低频及直流时会严重影响输出效果。若采用2片运放分别连接成同相和反相放大，通过差分取出信号，可以实现2倍于运放输出的信号，但这种电路对运放相位要求较高，而且输出信号为浮地。若采用专用的大电压、高驱动电流反馈型集成运放芯片，本项目要求频带很宽，且输出高电压时输出的电流很大，一般很难找到这类芯片。为满足项目设计要求，进一步扩大输出电流，本文采用2片同样的电流反馈型运放THS3092并联输出。
    THS3092是双路高压低失真电流反馈型运算放大器，可提供电压为±15 V的线性功率放大，最大输出电流为250 mA(2片并联可达到500 mA)，转换速率高达5700 V／ns，放大6 dB时带宽为160 MHz，能够满足10MHz带宽和高速系统的设计要求。当输出电压从O V变化到15 V时，其电压变换时间约为1 ns，完全能够满足高频信号输出不失真的要求。

    功率放大电路如图4所示。采用2片THS3092构成两级同相电压放大电路和一级运放并联输出扩流电路。每级放大电路增益A=R1／R2+1=2倍(6dB)，3级共18dB，最大可输出峰峰值电压28V。

3 系统软件设计
    系统软件主要包括3部分：放大器增益及截止频率的设置、增益校准、人机交互。系统软件流程如图5所示。程序开始运行后可通过按键选择增益校准、电压增益设置、截止频率设置等。

4 系统测试分析
    系统设计完成后，为了验证宽带直流功率放大器的指标，采用SKl731型直流稳压电源、PM5139型20 MHz数字信号源、TDS1012型300 MHz数字示波器、VC9806型4位半数字万用表等，对该系统的增益设置、通频带内增益起伏、带宽频率特性、输出噪声电压、放大器效率等进行了测试。
4．1 增益测试
    输入有效值10 mV、频率为1 MHz的正弦波信号，输出接50Ω负载，从0 dB开始增大放大器增益，步进为1 dB。用示波器测试输出电压，计算增益误差。测试可得，输出增益在0～60 dB内连续可调，增益误差最大为0．4 dB，最大输出有效值为10．1 V。
4．2 通频带内增益起伏测试
    输入有效值为10 mV的正弦波信号，输出接50Ω负载，将放大器增益设置为60 dB，从0 Hz开始增大输入信号频率，步进为1 MHz，用示波器测试输出电压，计算增益误差。测试可得，在0～10 MHz频带内最大增益起伏为0．5 dB。
4．3 带宽频率特性测试
    输入有效值为10 mV的正弦波，输出接50 Ω负载，将放大器增益设置为60 dB，分别预置截止频率为5 MHz、10 MHz，从0 Hz开始增大输人信号频率，步进为1 MHz。用示波器测试输出电压，计算增益误差。测试可得：在预置5 MHz通频带时5 MHz频带处增益衰减为2．9 dB，O～4 MHz内最大增益起伏为O．5 dB；在预置10 MHz通频带时10 MHz频带处增益衰减为2．8 dB，0～9 MHz内最大增益起伏为O．5 dB。
4．4 放大器效率测试
    输入有效值为10 mV的正弦波，输出接50 Ω负载，调节放大增益为60 dB，将放大器正负供电电源均串入直流电流表，测得负载两端电压有效值为10 V，正电源电流为O．133 A，负电源电流为0．063 A。可计算出效率为68．O％。
4．5 测试结果分析
    通过以上测试，可以看出该放大器成功解决了现有放大器在宽带、直流、功率放大很难兼顾的问题，完全达到了项目的设计要求。究其原因，以下几点很重要：在设计放大器供电电源去耦时采用π型电感、电容网络，该去耦网络对各频段的电源噪声都有良好的抑制效果；精心考虑放大电路的PCB布板，采取部分敷铜而不是全部敷铜，减小了寄生电容，使电路工作更稳定；电路板间信号传输采用带高频屏蔽线的线缆，减小了信号的串扰；在信号输入端采用SMA头加高频屏蔽罩进行信号的连接，增强了系统的抗干扰能力。

结语
    本文结合现在一般放大器的设计方案及存在的问题，论述了程控宽带直流功率放大器各单元电路的详细设计方法，提出大动态范围、低失真的程控宽带直流放大器的设计方案和实现方法。测试结果表明：该方案较好地解决了增益、直流宽带、功率等放大器关键参数的矛盾，实测的系统各项指标均达到设计要求。