《2022年程控宽带直流功率放大器设计方案 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年程控宽带直流功率放大器设计方案 .pdf（7页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
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
2、到10V。试验结果表明：该放大器工作稳定可靠，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 Amplifier CAO Wei-feng, ZHENG An-ping, ZHANG Jin-yu 1.College of Electric and Information Engineering, Zhengzhou University of
3、Light Industry; 2.Department 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 syste
4、m of power broadband dc 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 c
5、ompensation by software. 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 an
6、d measuring instruments. 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、
7、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 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
8、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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - -
9、 - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 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
10、值小于20mV，衰减后为 20 V，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，
11、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；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 060
12、dB 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：程控放大器10dB放大及调零4X4键盘矩阵核心控制器 Mega128单片机128X64液晶显示D/A转换5MHz 滤波继电器切换10dB放大035dB通道信号输入10MHz 滤波继电器切换18dB功率放大负载4660dB通道3645dB通道图 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36dB45
13、dB 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，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
14、计降低了信号处理的难度，从而大大减小了设名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 计的难度，缩短了研发时间。2 系统软硬件设计实现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
15、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。
16、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
17、，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+5-512345678AD603 AR+C110uF+C210uFR11.6KR212K+5DA输入+5-5R4200R350R5195R9400R65R710KR81K+5IN-2IN+3GND4OUT6+Vs7OPA690直流 偏置调整INOUT名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - -
18、 - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 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502 fLL和50*2 fCC
19、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L、C为计算得到的值，L、C 为对应归一化数据，f为滤波器的截止频率，具体计算结果如表1 所示。表 1 滤波器参数表L1 L2 L3 C1 C2 C3 C4 5MHz /50 1.98 H 3.18 H 1.98 H 283pF 1147 pF 1147 pF 283 pF 10MHz/50 0.99 H 1.59 H 0.99 H 141.7 pF 573.6 pF 573.6 pF 141.7 pF 2.3 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
20、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15V 的线性功率放大，最大输出电流为250mA ，两片并联可达到
21、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：2143RRA倍（6dB） ，三级共为18dB，最大可输出峰峰值28V。C10.44504FL11.24698HL22.0000HL31.24698HC21.80194FC31.80194FC40.44504FOUTIN名师资料总结 - - -
22、精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 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。开始初始化键盘功能选择增益校准电压增益设置截止频率设置放大器通道切换滤波通道切换D/A 控制改变增益参数显示图 5 软件流程图3.系统测试分析345OUT11IN1-2IN1+3U1ATHS3
23、092IN2+5IN2-6OUT27U1BTHS3092OUT11IN1-2IN1+3U2ATHS3092IN2+5IN2-6OUT27U2BTHS3092负 载INR11KR21KR61KR71KR81KR91KR1050R550R41KR31K名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 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、 TD
24、S1012 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 /dB 0 5 10 15 20 25
25、30 35 40 45 50 55 60 实测输出电压/mV 10.5 18.6 32.7 55.0 96.6 176 324 575 1010 1840 3130 5750 10100 实测增益 /dB 0.4 5.4 10.3 14.8 19.7 24.9 30.2 35.2 40.1 45.3 49.9 55.2 60.1 增益误差 /dB 0.4 0.4 0.3 -0.2 -0.3 -0.1 0.2 0.2 0.1 0.3 -0.1 0.2 0.1 3.2 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
26、，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 /MHz 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 实测输出电压 /V 10.1 10.1 10.1 10.1 10.0 9.9 9.8 9.7 9.6 9.5 9.5 实测增益 /dB 60.1 60.1 60.1 60.1 60.0 59.9 59.8 59.7 59.6 59.5 59.5 增益误差 /dB 0.1 0.1 0.1 0.1 0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.5 3
27、.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 预置带宽频率特性测试预置频率输入频率 /MHz 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5MHz 实测
28、输出电压/V 10.1 10.1 10.0 9.9 9.5 7.2 实测增益 /dB 60.1 60.1 60.0 59.9 59.5 57.1 衰减 /dB 0.1 0.1 0 -0.1 -0.5 -2.9 10MHz 实测输出电压/V 10.1 10.1 10.1 10.1 10.0 9.9 9.8 9.7 9.6 9.5 7.3 实测增益 /dB 60.1 60.1 60.1 60.1 60.0 59.9 59.8 59.7 59.6 59.5 57.2 衰减 /dB 0.1 0.1 0.1 0.1 0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -2.8 3.4 放大器效率测试名
29、师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 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：W)(2501022RUPoLO电源功率：W)(94.2063.015133.015IUIUPI效率：%0.6894.22IoPP3.5 测试结果分析通过以上测试， 可以看出该
30、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。4.结束语文中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
31、，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。仿真和试验结果表明：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。随着数字集成电路的发展及微型控制器的使用，利用特殊手段实现增益可程控的宽带直流功率放大器对于实现信号处理的自动化及仪器仪表的高精度有重要意义。参考文献：1 叶昌茂 ,温世敏 .实用直流放大器的设计J.电子工程师 ,2005(10):30-33. 2 王国伟 ,施树春 .可编程宽带运算放大器的设计与实现J.武汉理工大学学报信息与管理工程版 ,2008(6):378-381. 3 朱前伟等 .基于单片机的一氧化碳传
32、感器的设计J. 计算机测量与控制,2009(7):1445-1446. 4 钟小鹏 ,杜金榜 ,王跃科 .大动态范围高精度AFE 程控调理的经典实现方法J. 计算机测量与控制 ,2006(4):533-535. 5 高德芝 , 陈祖斌 , 段建民 .基于浮点放大技术的多通道数据采集系统J.计算机测量与控制,2009(2):431-433. 6 郭 俊 国 ,田 书 林 ,王 志 刚 .大 动 态 范 围 低 失 真 模 拟 前 端 的 设 计 J. 仪 表 技 术 与 传 感器,2009(3):109-111. 7 Analog Device Inc.Datasheet of AD603 DB /OL . 2007-05-. 8 Texas Instruments. Datasheet of THS3092 DB /OL . 2006-01-. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -