一种微弱信号的宽带程控高增益放大器设计

摘要：本文设计并制作了0～15 MHz带宽的宽带放大器，放大器可放大不低于1 mV的有效值信号，增益0～80 dB预设或手动可调，最大输出电压峰峰值为42 V，在通频带范围内起伏增益1 dB左右，放大器在增益为60 dB的时候，输出噪声电压的峰叫峰值为200 mV，通过单片机控制可以实现电压增益和放大器的带宽可预置并显示的功能。整个系统工作可靠、稳定，而且成本低、效率高。
关键词：宽带放大器；高增益；可鳊程；单片机；VCA810

引言
    在自动控制及自动测量系统中，需要把一些非电量(如温度、转速、压力)等参数通过传感器转变成电信号，这些微弱的电信号经放大后就可以推动测量、记录机构或控制执行机构，从而实现自动控制或自动测量。
    本文设计的放大器具有低噪声、高增益的特点。整体设计要求放大器的最大电压增益为80 dB，输入电压有效值Vi≤10 mV。在Av=60 dB时，输出端噪声电压的峰-峰值VONPP≤0.3 V，3 dB通频带0～5／10 MHz可选。在通频带内增益起伏≤1 dB，负载电阻(50±2)Ω，最大输出电压正弦波有效值Vo≥10 V，输出信号波形无明显失真。

1 系统总体设计及理论分析
1．1 系统总体设计
    本系统可分为4个模块，如图1所示。第1部分为输入缓冲和固定增益放大模块，运放搭建电压跟随器作为输入缓冲，同时提高输入阻抗，固定增益放大部分将输入的微弱信号放大到适合后级处理的电压范围；第2部分为分档滤波模块，设计有5 MHz、10 MHz两个低通滤波器，通过低噪声继电器切换，满足带宽可预设的要求；第3部分为可控增益放大模块，实现80 dB的动态增益变化；第4部分为功率放大模块，驱动50 Ω负载。

    本系统的难点在动态增益和功率输出两个方面，下面对其进行理论分析。
1．2 动态增益的理论分析
    设计指标要求增益动态范围为80 dB，将80 dB分配在固定增益放大、可控增益放大和功率放大3个模块。先确定可控增益放大模块的增益动态范围，就可以方便地分配另两个模块的增益。
    由于VCA810的线性增益调节范围为-40～40 dB，如图2所示。但经实际电路测试当增益高于30 dB时，电路容易出现自激振荡，此处采用两级VCA810级联的方式实现-40～40 dB的动态范围。固定增益放大器增益设定为10 dB。以THS3001为核心的后级功放电路增益设定为30 dB。因此，该系统增益调节范围为0～80 dB。

1．3 运放扩压输出的理论分析
    当系统负载电阻为(50±2)Ω时，最大输出电压Vo≥10 V，则由公式P=U2／RL，可得，系统输出功率的最大值为Pmax=102／(50-2)=2．08(W)。经前置放大和中放电路放大后，不具备驱动负载的能力，需经末级功率放大电路放大后才能达到系统对输出功率的要求。
    考虑到除高压运放以外，一般运放的最大输出电压在供电电压为±15 V时仅有±12 V左右，不能满足输出10 V有效值的要求。此处采用浮动运放电源电压的方法将输出电压幅度扩展，利用互补对称功放电路将输出电流增大。
    运算放大器的常规电源供电方式如图3(a)所示。电源供电直接取自稳压电源如图3(b)所示，运放的供电电压不再直接取自稳压电源，而是由两个三极管的发射机提供。R1=R2=R3=R4，忽略VBE压降，则运放的供电电压为：
    
    由于三极管的作用，运算放大器的供电电压随输出电压的变化而变化，但是运放的正负供电电压之差则保持不变。

    经Multisim软件仿真，将图3中两种运算放大器的最大输出电压进行比较，两电路均设置为放大10倍的反相放大器。仿真结果显示，图3(b)电源接法放大器最大输出为±24 V左右，图3(a)常规电源接法放大器的最大输出电压为±12 V左右。图4(a)为最大不失真输出电压的波形，此时的输入电压为土2．5 V，频率为1 MHz，图4(b)为同样输入±2．5 V、1 MHz信号时的输出波形，可见信号已经严重截止失真。

2 核心硬件电路设计
2．1 可变增益电路
    可变增益模块选用TI公司的高增益可调宽带压控放大器VCA810，其特性包括高增益可调范围-40～+40dB，增益控制准确度±1．5 dB(高精度型号为±0．9 dB)，差分输入单端输出，不变的增益带宽35 MHz，dB／V增益线性度±0．3 dB，增益控制带宽25 MHz，低输出DC误差小于40 mV，高输出电流±60 mA，低工作电流24．8 mA。
    VCA810的工作原理是通过对其引脚3施加直流电压来控制增益的大小。控制电压与增益的函数关系式为：
    
    
    当Vc从0 V变化到-2 V时，增益从-40 dB线性地变化到+40 dB。另外，当Vc电压超过0 V时，增益为-80 dB。
    VCA810电路原理图如图5所示，为了系统的稳定性，此处采用两片VCA810级联实现80 dB的动态范围，增益控制方式有手动和预设两种。
    当工作在手动模式时，通过电位器分压来提供Vc信号，当工作在预设模式时，通过键盘输入增益值，然后经过单片机D／A输出提供Vc信号。

2．2 功率放大电路
    此模块要对前级可控增益放大模块输出的信号进行功率放大，最后驱动50 Ω的负载电阻。如图6所示，此处设计利用前文分析到的运放扩压输出电路先对信号进行电压放大，然后进行电流放大，继而完成功率放大的功能。

    THS3001具有高达6 500 V／μs的转换速率，420 MHz的-3 dB带宽和良好的带内平坦度，在110 MHz时，增益仅下降0．1 dB；大信号应用时具有40 ns的建立时间；差分增益误差小于0．01％，差分相位误差小于0．02％；非线性失真小于-96 dB；电源电压可在±4．5～±15 V之间选择。
    电流放大部分采用MOSFET IRF9610和IRF610搭建的甲乙类放大器放大THS3001输出的信号，电路如图6所示。IRF610、IRF9610属于Vishay公司的第3代Power MOSFET，为设计者提供了转换快速、坚固耐用、低导通阻抗和高效益的强力组合。

3 测试
3．1 测试条件
    在室温25℃，普通实验室条件下，采用扫频仪对系统进行幅频特性测试，采用信号源、示波器对系统的放大倍数进行测试。
3．2 测试方案及数据
    通过函数发生器产生0～15 MHz有效值1 V的正弦波，然后经过-40 dB衰减器，产生有效值为10 mV的待测信号。通过按键输入放大器预设增益，用双踪示波器分别观测系统输入和输出信号的大小。图7为部分测试结果的折线图，系统最大增益达80dB，带内增益起伏小于1dB。

    在增益为40 dB时，增大输入信号幅度，观察50 Ω负载上的最大不失真输出信号幅度，经测试，最大不失真电压峰峰值为42 V。
    在增益为60 dB时，将输入端与地短接，测出输出端噪声电压的峰峰值为0．2 V。
3．3 测试结果分析
    由以上数据可知，系统在输出功率方面有良好的性能，输出功率可达4．41 W，超过设计指标2 W的要求。最大不失真输出电压为峰峰值42 V，比Multisim软件仿真最大不失真输出电压峰峰值48 V小6 V，考虑到三极管参数不完全对称等器件的实际情况，此结果可证明改进型运放供电电路切实有效。可变增益范围为0～80dB，若在VCA810模块中增加频率补偿和前后匹配等相关措施，增益动态范围仍可进一步扩展，80 dB时失真度仍然很小，有进一步提高增益的可能性。0～60dB增益范围内系统的噪声抑制特性良好。测试过程中的误差主要来源于电磁干扰，以及信号源的噪声电平。

结语
    宽带放大器以压控增益放大器VCA810和超高速电流反馈放大器THS3001为核心，利用数字技术实现增益的预设，总增益范围为0～80dB，通频带为0～15 MHz，最大输出电压峰峰值达42 V。前置放大器采用低噪声电压反馈宽带放大器OPA2690，大大提高输入电阻。后级功率放大采用运放扩压和扩流输出电路，有效地提高了系统的带负载能力。