一种带宽直流放大器的设计

 宽放大器是指工作频率上限与下限之比远大于l 的放大电路。这类电路主要用于放大视频信号、脉冲信号或射频信号。本文提出了一种以可变增益放大器VGA AD603 为核心，结合外围模拟及数字电路实现宽带放大器的设计方法， 带宽可达10 MHz。

　　1 系统整体设计

　　该系统由前置放大、可预置增益放大、低通滤波器、后级放大、直流稳压模块和单片机控制与显示模块六大部分构成。具体电路结构如图1 所示。

图1 系统框图

　　2 方案论证与设计

　　2.1 可控增益放大器方案选择

　　方案一：DAC 控制增益。该方案从理论上讲， 只要D/A 的速度够快、精度够高就可以实现很宽范围的精密增益调节。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， 且其增益动态范围有限， 故不采用； 方案二：使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA，用控制电压和增益（dB）成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制。用电压控制增益， 便于单片机控制， 同时可以减少噪声和干扰。

　　综合比较， 选用方案二， 采用可变增益放大器AD603作增益控制放大器。

　　2.2 输入阻抗匹配方案选择

　　方案一：采用低噪声精准放大器OP27 设计前级的射级跟随，尽管噪声小、精度高，但是由于带宽仅为8 MHz，达不到10 MHz 的要求；方案二： 采用高速宽带运放OPA692 作为构成前级的射级跟随器。OPA692 是高速宽带运放， 其在±5 V 双电源工作时，增益为2，频带宽度为190 MHz，电压转换速率为2 100 V/μs。

　　经过比较， 采用方案二。由于AD603 的输入阻抗只有100 Ω， 使用OPA692 作为前级输入完全能满足要求，并且可以很好地隔绝前级电路对后级电路的干扰， 实现级间的阻抗匹配。

　　2.3 滤波电路选择方案

　　方案一： 采用RC 滤波电路， 但RC 滤波衰减很大；方案二： 利用高速宽带运放OPA690 设计二阶巴特沃思滤波器，其通频带内的频率响应曲线最大限度平坦， 没有起伏， 而在阻频带则逐渐下降为零。经比较， 选择方案二。

　　3 理论分析与参数计算

　　3.1 电压增益控制原理分析

　　电压增益控制原理分析AD603 的基本增益为：Gain =40 VG+10， 其中，VG是差分输入电压， 单位是V，Gain 是AD603 的基本增益，单位是dB 。从此式可以看出， 以dB 作单位对数增益和电压之间是线性关系， 因此，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。

　　3.2 通频带内增益起伏控制分析

　　为控制通频带内增益起伏， 采用二阶巴特沃思滤波环节， 其电阻电容可根据式（1） 、式（2）计算：

　　其中f0为通带截止频率，Q 为f=f0时电压放大倍数与通带放大倍数数值之比。计算数据可仿真实现。

　　3.3 抑制直流零点漂移分析

　　在集成运放同相输入端和反相输入端外接总电阻相同的情况下， 可抑制零点漂移， 另外在实际调试中， 还应加入调零端， 可有效地调整零位。

　　3.4 放大器稳定性分析

　　在各级放大电路中， 设计中均采用了电压负反馈，保证了放大器运行稳定。

　　4 主要功能模块设计

　　4.1 可编程增益放大器

　　AD603 是一款低噪声、精密控制的可变增益放大器， 温度稳定性高， 最大增益误差为0.5 dB， 其增益（dB）与控制电压（V）成线性关系， 因此可以很方便地使用D/A 输出电压控制放大器的增益，并且其输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小， 很适合构成程控增益放大器。可编程增益放大器AD603 由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。带宽90 MHz 时增益变化范围为-11 dB～+3l dB； 带宽为9 MHz 时为9 dB～51 dB。增益变化范围可分三种模式进行控制： 当5 脚与7 脚断开时，增益变化范围为9 dB～51 dB，当5 脚与7 脚短接时， 增益变化范应为-11 dB～+3l dB， 当5 脚与7 脚之间接一电阻时，可使增益变化范围进行平移。为了增大控制范围，设计中采取了两级AD603 级联的方法，如图2 所示。

图2 可编程增益放大器

　　4.2 低通滤波电路

　　设计中采用了专用设计滤波器软件Filter Wiz Pro ，利用高速宽带运OPA690 实现， 如图3 所示。

图3 低通滤波电路

　　4.3 后级放大电路

　　后级功率放大电路采用运放AD811 实现。AD811 是美国模拟器件公司推出的一种带电流反馈型视频运算放大器， 当增益G=1 时，-3 dB 带宽为140 MHz ； 当增益G=2 时，-3 dB 带宽为140 MHz ； 当增益G=10 时，-3 dB带宽可达100 MHz ； 电压转换率为2 500 V/μs ， 完全满足系统需求。后级放大具体电路见图4。

图4 后级放大电路

       4.4 手动增益预置及控制