基于ATmegal28的可预置程控宽带直流功率放大电路设计

。

　　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