宽带直流放大器的增益控制设计与研究 – “单片机,C8051F000,宽带直流放大器,AD603,低噪声”

摘要:首先进行了方案论证与比较,分析各种方案的优点缺点,最后选择亚德诺半导体公司生产的低噪声增益可控集成运算放大器AD603和电流反馈型宽带运算放大器AD811等器件设计宽带直流放大器。输入级采用两级AD603级联,输出级设计通频带0~10 MHz的带宽,通过单片机可以对放大器增益进行控制。该放大器具有频带宽、功率高、增益可调、带宽可选择等特点。此外、对提高直流放大器的各种性能指标提出了多种具体措施,在要求较高的系统中具有较强的实用性。

引言

在工业领域应用中,特别是在一些控制系统和检测系统中,直流放大电路应用非常广泛。传感器将一些非电量(如温度、流量、压力、速度、角速度等)转化为电信号,该电信号较为微弱,幅值和功率都不足以能够驱动下一级的执行机构,所以需要将这个电信号放大到所需的程度,再去推动执行机构执行,从而达到测量的目的。普通的运算放大器存在着频带窄、噪声系数大、增益低等本身不可忽略的缺点。在较为复杂的系统中,希望能够在程序中用软件控制放大器的增益,或者放大器本身能自动将增益调整到适当的范围。因此,设计一款频带宽、低噪声、增益可调的放大器有着非常重要的现实意义。本设计以亚德诺半导体公司的AD603为核心研究频带宽、功率高、增益可调的宽带直流放大器。

1 方案论证与比较

1.1 可控增益放大器部分

方案一:采用独立的分立元件。利用高频三极管构成多极放大电路来满足增益的要求,同时利用二极管在输出端检波产生电压反馈,实现自动增益控制的目的。由于采用分立元件,致使电路复杂,不易实现增益的精确控制,电路稳定度差,容易产生自激,频带内增益的稳定也不易实现。

方案二:可直接采用可调增益运放来实现,采用电压控制增益放大器AD603。该方案采用了高集成元件电路简单,容易调节,可控性强。利用AD603的线性dB增益控制特点结合D/A变换可以实现增益及其步进的精确控制。

方案三:选择高速、宽带放大器,组建两级放大电路,自行搭建放大倍数电阻网络,通过单片机控制继电器的导通与关断,来选择不同的增益调节。但是控制的数字量和最后的增益(dB)不成线性关系而是成指数关系,造成增益调节不均匀,精度下降。

方案一采用分立元件,弊端极多,因此不予考虑;方案三存在阻抗匹配的问题,而且自行搭建的电阻网络,可能会导致系统干扰变大,面临步进难以进一步细分的困难,且增益量(dB)不成线性;方案二可以达到步进0.2 dB的精度,单片机易于控制,自动增益控制也可以通过软件方法来实现,考虑到尽可能好的实现系统要求,因此最终选择了方案二。方案二中的AD603是一种低噪声、高宽带精密可控增益放大器,最大增益误差仅为0.5 dB。

1.2 后级放大部分

输出级要能够驱动一定的负载,要求输出电压的有效值大于2 V。由于AD603构成放大器最大输出电压较小且不超过2 V,不能满足设计的基本要求,所以需要增加后级功率放大电路。

方案一:采用分立元件搭建。为保证高频端放大器的稳定性和通频带内幅度的平坦度,宜采用互补推挽和深度电压串联负反馈电路形式。

方案二:采用高速、宽带放大器AD811作为后级放大。AD811的单位增益带宽为140 MHz,摆率为2500 V/μs,输出电流可达100mA,完全可以满足要求。

采用集成运放电路简单,干扰较少,很容易实现放大器的稳定性和带内幅度稳定的要求;采用分立元件虽节省了成本,但系统干扰可能会较大,调试也比较麻烦,综合考虑选择方案二。

2 系统框图

根据设计要求,充分利用数字部分的优点,实现两部分优缺点互补,构造稳定易于实现的宽带放大系统。

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单片机采用价格低、使用方便的C8051F000。系统总体方框图如图1所示。本设计中的单片机采用C8051F000作为主控制器来实现增益控制和人机对话。其中包括4 x 4矩阵按键、1602液晶显示,放大部分由可控增益放大和后级放大两部分构成。后级放大实现电压放大和负载的驱动。单片机通过D/A转换产生精确的增益控制电压实现对放大器增益的精确控制。

3 主要电路原理分析与计算

3.1 增益控制

AD603的基本增益可以由下式算出:

Gain(dB)=40Vg+10 (1)

其中,Vg是差分输入电压,单位是V,范围为-0.5~+0.5 V。Gain是AD603的基本增益,单位是dB。变化范围为20~+40 dB。

为满足设计的要求最大增益≥60 dB要求,进行两级级联,那么总增益可由下式得出:

Gain(dB)=80Vg+20 (2)

增益范围是20~+80 dB,满足设计的要求。

从式中可以看出,以dB作单位的对数增益和电压之间是线性的关系。由此可以得出,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的实现。后级放大器增益设定为6 dB。满足设计要求实现的最大电压增益AV≥40 dB增益控制的要求。

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图2所示为两级AD603级联,VIN引脚为放大信号的输入,GPOS引脚与单片机的D/A输出引脚相连,由单片机产生输出控制电压信号。对于AD603没有接入反向放大器,且可控增益放大器和功率放大器都是同向,对于深度负反馈较易产生自激振荡使相位发生偏移,本电路采用开环控制,故不易产生相位偏移和反向。

3.2 功率放大级

采用高速单运放AD811完成放大。AD811为电流反馈型宽带运放,其带宽增益积为140 MHz,±15 V供电,增益为10 dB的情况下,-3 dB带宽达100 MHz,远远满足本系统的宽带放大要求,有±15 V的输出摆幅,且输出电流最大可达100 mA,完全可满足峰峰值要求。AD811的电压摆率为2 500 V/μs,根据摆率计算公式:在输出信号有效值Vom为2 V,频率fmax为6 MHz的情况下,所需要的最小电压摆率可由式(3)算出为960.28 V/μs,AD811完全可以满足要求。如图3所示,图中AD811的3脚与AD603的输出端相连接。

SR=2π·Vom·fmax (3)

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3.3 D/A转换

C8051F000系列MCU有两个12位的电压方式DAC。每个DAC的输出摆幅均为0~VREF(本设计中采用的是5 V的基准源),对应的输入码范围是0x000~0xFFF。本设计只使用DAC0,首先在DACOCN控制寄存器中的DACOEN位(DAC0CN.7)使能DAC0,通过DACOCN[2:0]位选择数据字格式,设计中采用的是12位数据右对齐,而实际操作中只需要向DAC0H和DAC0L寄存器中写入数据即可。C8051F000的内部D/A转换电路结构如图4所示。

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3.4 电源部分设计

线性电源虽然简单,但在整个系统中有非常重要的作用。由于是信号的频率较高,所以电源的稳定性决定着整个系统的稳定性,所以要求电源输出稳定,纹波小。

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直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路及稳压电路组成产生各种所需的直流电压,其中±15 V、±5 V都可以使用相应的固定输出的三端稳压芯片LM7805、LM7905、LM7815、LM7915,如图5所示。

4 系统测试

测试仪器包括:GOS6050数字示波器;DT9973数字万用表;TFG6030 DDS函数信号发生器;直流稳压电源;负载电阻,RL=50 Ω。

测试方法及数据如下所述。

(1)噪声测量

选取在增益为60 dB时测量电路的噪声,将输入端接地,测量输出端的电压为峰峰值≈230 mV,远小于设计要求。

(2)输出电压有效值测量

输入加10 kHz正弦波,调节电压和增益测得不失真最大输出电压有效值在2.6 V±0.5 V范围内浮动,达到题目要求输出电压有效值大于2 V。

(3)3 dB通频带测量

为了测试系统的性能,在测量通频带时,选取增益为40 dB情况,输入峰峰值20 mV的正弦信号。由于实验设备的原因,只能用抽样取样的方法来描绘幅频特性,如表1所列。

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从表格中可以看出3 dB点的通频带值在10 MHz附近。可见本设计符合题目要求的通频带的要求,但是仅在0~4 MHz通频带内增益起伏≤1 dB,满足设计要求。

(4)增益测量

表2为增益测试的数据,其中输入信号的频率为1 MHz。

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由于所用的模拟示波器和数字信号源并不是很匹配,所以在数据测量的时候存在误差,会给测试结果带来一定误差。但总体上还附合误差控制要求。

(5)其他测试情况

最大输出电压≥2 V;增益范围为0~45 dB;通频带0~10.7 MHz;增益步进能实现5 dB可调,同时可以任意设定增益值;输出增益显示。

结语

本文是基于单片机C8051F000的宽带直流放大器,电路由几个主要模块共同构成,放大器采用两级AD603级联的方式,能够满足0~10 MHz带宽范围内的信号,并实现0~45 dB可调增益范围。通过测试验证了系统的可行性和实用性。

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发布日期:2019年03月17日  所属分类:参考设计