程控宽带直流功率放大器设计方案

1、程控宽带直流功率放大器的设计曹卫锋1，郑安平1，张晋宇2（1.郑州轻工业学院电气信息工程学院，2.郑州轻工业学院技术物理系,河南郑州，450002）摘要:针对当前程控放大器存在的问题，提出了一种宽带、直流和高功率程控放大电路的设计方法。本设计以压控运放AD603、功率运放THS3092、10位串行D/A芯片TLC5615和AVR单片机Mega128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。实现了060dB增益1dB步进可调、控制误差不大于3%、DC10MHz带宽、50负载上最大不失真输出有效值达到10V。试验结果表明：该放大器工作

2、稳定可靠，可广泛应用在科研和测量仪器中，具有一定的推广价值。关键词:宽带直流功率放大器; 压控运放AD603; 频带预置；功率运放THS3092 中图分类号: TN722 文献标识码: B文章编号: Design of Program-controlled Broadband and Dc Power AmplifierCAO Wei-feng, ZHENG An-ping, ZHANG Jin-yu1. College of Electric and Information Engineering, Zhengzhou University of Light Industry;2. Depa

3、rtment of Technology and Physics, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China.Abstract：For the problems on current program-controlled amplifier，a design method about broadband, dc and high power program-controlled amplifier circuit was presented .The system of power broadband dc

4、amplifier with programmable control voltage gain was based on voltage-controlled amplifier AD603, power amplifier THS3092, 10 serial D/A TLC5615 and AVR microcontroller Mega128 as the core of the system, the LCD screen and the keyboard as a man-machine interface, gain error compensation by software.

5、 The system achieved 0 60dB gain 1dB step adjustable, control error less than 3%, DC 10MHz bandwidth, the largest in the 50 load without distortion output signal RMS 10V. The results showed that the system operate stably and reliably, and can be used in scientific research and measuring instruments.

6、 It has certain promoted value.Key words：Broadband and Dc power amplifier，Voltage-controlled amplifier AD603, Preset frequency band, Power amplifier THS3092在许多生物电信号测试过程中 ,需要对一些从直流成分到几十Hz带宽内、高内阻、 弱信号传感器的输出信号进行放大处理，文献1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，文献2

7、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，文献3-5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，文献6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。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

8、在DC10MHz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，而且在有些在实际应用中要求输出电压有效值高达10V且能显示，这就要求对电路进行优化设计，兼顾工艺制造，才能设计出更高性价比的宽带直流放大器。本文采用 AVR单片机Mega128为核心控制器，以10位串行D/A芯片TLC5615、功率运放THS3092、可编程增益运放AD603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060dB、 步进间距为1dB、通频带为DC10MHz、输出电压有效值10V、矩阵键盘预置增益值步进、 点阵液晶显示实时电压有效值、性价比与效率高、人机界面友好、操作

9、简单方便。1 系统总体方案分析与设计若采用可编程放大的思想，将输入的信号作为高速D/A的基准电压，这时的D/A作为一个程控衰减器，这种方案对D/A的速度要求很高，同时为了达到060dB增益可调、兼顾高、低增益，势必需要D/A输出衰减最少60dB以上，假设信号源有效值小于20mV，衰减后为20µV，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；若采用两片AD603压控增益宽带放大器，每片实现-10dB30dB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隔直，前级AD603输出的直流偏置严重影响后级放大；因此项

10、目采用一片AD603，后级采用多通道继电器切换增益的方式，AD603单片实现-10dB30dB放大，后级再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电路，调零电路，带宽限制电路，后级功率放大电路，单片机电路及人机交互等电路组成。程控放大采用一片电压控制芯片AD603实现-10dB30dB放大；调零放大采用OPA690构成10dB同相放大器兼做静态调零电路；宽带滤波电路采用两路7阶巴特沃斯低通滤波器分别实现实现DC5MHz和DC10MH带宽限制；后级根据不同情况分别采用OPA690 和THS3092实现10dB与18dB固定增益功率放大；

11、Mega128单片机通过10位串行D/A芯片TLC5615控制AD603的放大倍数，通过控制继电器组来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，最后达到整体增益060dB连续可调的目的，通过控制键盘和液晶显示来实现人机交互。系统总体组成如图1所示： 图1 系统总体框图程控放大电路增益为-10dB30dB，三级固定增益放大电路增益分别为10dB、10dB和18dB，当希望放大器的增益为0dB35dB时，信号只通过程控放大、第一级10 dB及调零电路、滤波电路，而后输出到负载；当希望放大器的增益为36dB45dB时，信号通过程控放大、第一级10 dB及调零电路

12、、滤波电路、第二级10dB放大电路，而后输出到负载；当希望放大器的增益为46dB60dB时，信号通过程控放大、第一级10 dB及调零电路、滤波电路、第二级10dB放大电路、第三级18dB功率放大电路，而后输出到负载；因此，只要实现第一级程控放大电路按步进1dB连续可调，通过继电器组的切换后，信号分别从三个固定增益级输出后即可实现0dB35dB、36dB45dB、46dB60dB增益分段连续可调，总增益步进调节范围涵盖了060dB。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容易控制且容易振荡的问题，而且分段设计降低了信号处理的难度，从而大大减小了设计的难度，缩短了研发时间。2系统软

13、硬件设计实现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、低噪声、精密控制的可变增益放大器6，其通频带为90MHz，基本增益为：Gain(dB) =40VG+10，其中，VG是压控输入电压，Gain是AD603的基本增益，控制电压范围为-0.5V+0.5V，所以该放大器设计增益为-10+30dB，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，增益步进可以很准确地实现。AD603的1、2脚为增益控制差分电压输入端，最大增益误差为0.5dB，压控电压由10位数模转换

14、器TLC5615提供，TLC5615的2.5V基准电压由精密可调电压源TL431提供，使TLC5615最大输出电压为5V，其输出电压分辨率是4.9mV，所以AD603的分辨率约为0.2dB，因此通过单片机内预置数据表可以比较容易实现增益步进1dB的预置。为了设计方便，实际设计时把AD603的2脚接入0.6V固定电压，1脚电压由D/A芯片DAC5615提供，因此要求DAC5615输出的电压范围为0.1V1.1V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，这样可以有效的避免各级之间静态工作点相互影响。项目要求放大器放大的信号频率可延伸至直流，即级与级之间只能通过直接耦

15、合，不能加电容隔直，通过实际测试发现AD603输出含有与增益无关的直流电压，这样压控运放AD603输出的直流偏置将严重影响后级放大，因此需要在AD603之后设置一级直流偏置调整电路。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。这部分的实际电路如图2所示。图2 前级放大电路2.2 滤波电路根据项目需要综合考虑一般仪器仪表和科研的要求，设计时考虑了DC5MHz和DC10MHz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，滤波电路采用分立元件LC组合而

16、成。电路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阶时可以达到截止频率为5MHz时在04MHz通带内起伏小于1dB，截止频率为10MHz时在09MHz通频带内起伏也小于1dB。归一化的7阶巴特沃斯低通滤波器的电路图及元件参数如图3所示。图3 7阶巴特沃斯归一化低通滤波器根据公式和可分别计算出截止频率分别为5MHz、10MHz，特性阻抗为50的滤波器元件参数，其中、为计算得到的值，L、C为对应归一化数据，为滤波器的截止频率，具体计算结果如表1所示。表1 滤波器参数表L1L2L3C1C2C3C45MHz /501.98µH3.18µH1.98µH283pF1

17、147 pF1147 pF283 pF10MHz/500.99 µH1.59µH0.99µH141.7 pF573.6 pF573.6 pF141.7 pF2.3 功率放大电路在设计功率放大电路时，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做的很高，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；若采用两片运放分别连接成同相和反相放大，通过差分取出信号，可以实现两倍于运放输出的信号，但这种电路对两运放相位要求较高，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，由于项目要求频带很宽、输出高电压时输出

18、的电流很大，一般很难找到这类芯片。因此为满足项目设计要求，进一步扩大输出电流，采用两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7，可提供电压为V的线性功率放大，最大输出电流为250mA，两片并联可达到500mA，转换速率高达5700V/ns，放大6dB时带宽为160MHz，能够满足10MHz带宽和高速系统的设计要求，当输出电压从0V变化到15V时，其电压变换时间约为1ns，完全能够满足高频信号输出不失真的要求。功率放大电路的设计如图4所示，采用两片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：倍（6dB

19、），三级共为18dB，最大可输出峰峰值28V。图4 功率放大电路2.4系统软件设计系统软件的设计主要有三部分：放大器增益及截止频率的设置、增益校准、人机交互。系统软件流程图如图5所示，程序开始运行后可通过按键选择增益校准、预置电压增益、预置截止频率等。图5 软件流程图3.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SK1731型直流稳压电源、PM5139型20MHz数字信号源、TDS1012型300M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，主要测试条件与结果如下：3.1增益测试输

20、入有效值10mV，频率为1MHz的正弦波信号，输出接50负载，从0dB开始增大放大器增益，步进为1dB，用示波器测试输出电压，计算增益误差。测试结果如表2所示（由于篇幅所限表中只显示步进为5dB的数据）。通过测试可得输出增益可在060dB内连续可调，增益误差最大为0.4dB；最大输出有效值为10.1V。表2 增益特性测试设置增益/dB051015202530354045505560实测输出电压/mV10.518.632.755.096.6176324575101018403130575010100实测增益/dB0.45.410.314.819.724.930.235.240.145.349.9

21、55.260.1增益误差/dB0.40.40.3-0.2-0.3-0.10.20.20.10.3-0.10.20.13.2通频带内增益起伏测试输入有效值为10mV的正弦波信号，输出接50负载，将放大器增益设置为60dB，从0Hz开始增大输入信号频率，步进为1MHz，用示波器测试输出电压，计算增益误差。测试结果如表3所示。通过测试可得出在010MHz频带内最大增益起伏为0.5dB。表3 通频带内增益起伏测试输入信号频率/MHz012345678910实测输出电压/V10.110.110.110.110.09.99.89.79.69.59.5实测增益/dB60.160.160.160.160.05

22、9.959.859.759.659.559.5增益误差/dB0.10.10.10.10-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5-0.53.3带宽频率特性测试输入有效值为10mV的正弦波，输出接50负载，将放大器增益设置为60dB，分别预置截止频率为5MHz、10MHz，从0Hz开始增大输入信号频率，步进为1MHz，用示波器测试输出电压，计算增益误差。测试结果如表4所示。从表中可以看出：在预置5MHz通频带时5MHz频带处增益衰减为2.9dB，04MHz内最大增益起伏为0.5dB；在预置10MHz通频带时10MHz频带处增益衰减为2.8dB，09MHz内最大增益起伏为0.5dB。表4 预置带宽频

23、率特性测试预置频率输入频率/MHz0123456789105MHz实测输出电压/V10.110.110.09.99.57.2实测增益/dB60.160.160.059.959.557.1衰减/dB0.10.10-0.1-0.5-2.910MHz实测输出电压/V10.110.110.110.110.09.99.89.79.69.57.3实测增益/dB60.160.160.160.160.059.959.859.759.659.557.2衰减/dB0.10.10.10.10-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5-2.83.4放大器效率测试输入有效值为10mV的正弦波，输出接50负载，调节放大增益为60dB，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10V，正电源电流为0.133A，负电源电流为0.063A。输出功率：电源功率：效率：3.5 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，除了我们在方案设计下了很大功夫外，还有以下几个原因：在设计放大器供电电源去耦时采用型电感、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