通用增益可变放大器

通用增益可变放大器作者：李思博 来源：活力2011年第 12期摘要 本课题组的任务是设计一个通用可变增益放大器。由五个模块电路构成：保护电 路、放大电路、衰减电路、跟随电路和直流稳压电源电路。前级保护电路中输入电阻为50Q 与10MQ，用开关控制选择，在保证带宽要求和信号不失真的基础上进行阻抗匹配；中间级采 用放大器级联并在其后连接一个电阻衰减网络，用单片机程序控制衰减倍数，实现放大倍数的 基本要求；末级输出部分用射极跟随器来满足输出阻抗的要求，可提高带负载能力；直流稳压 电源由电源变压器、整流器、滤波器、稳压器等部分组成。通过测试所设计的通用可变增益放 大电路基本实现题目要求。关键词 增益可变；带宽；衰减网络；程控、设计任务与分析（一 ）任务设计、制作一个通用可变增益放大器，放大器的增益可手动数字设置或程控设置，无调节 电位器。该放大器的增益变化范围、信号输入及输出范围、信号有效频段及幅频特性等具有较 高的技术经济指标。（二 ）重点难点分析 题中要求不可使用电位器而达到增益可变的效果，可知在整个作品中，放大衰减模块是核 心，此处芯片的选择是难点。1题目要求在放大倍数为100倍时，带宽达到0-lMHz；在放大倍数为1000倍时要求带 宽达到0-5MHz。平时所用芯片多数为音频信号芯片，无法通过较高频率信号。2 在放大电路中，为达到1-10倍档、 10-100倍档、 100-1000倍档是选用多个芯片的级 联，还是选用可以选择放大倍数的单一芯片是一个需要在实践中相比较而得。、方案论证及比较方案：先放大后衰减。将增益可调部分分为放大模块与衰减模块。在放大模块中选择适当的芯片。可采用三片AD817进行级联形成10倍、100倍、1000倍放大，AD817输入信号带宽可以达到5MHz以 上，低频信号与高频信号皆可通过。在三级放大电路中，由于每级级联相移位80，而三级级 联后相移为240。相移大于180产自激震荡，无法克服。所以另增加两个AD817芯片级联达 到 100-1000的增益。此后接具有衰减功能的芯片，用程序控制电阻网络的衰减。使其步进分 别达到 1与 0.5的要求。在具体试验中发现AD603在增益为1000倍。信号波形不稳定，且该芯片使用不如AD817 简便易操作，所以经过比较分析，该方案能更好地满足题目要求。三、系统设计与理论分析（一）总体方框图本系统原理方框图如图 1 所示。本系统有保护电路、放大模块、衰减模块、跟随电路、单 片机、键盘、显示器及直流稳压电源等组成。其中保护电路、放大模块、衰减模块、跟随电路 构成信号通道，单片机、键盘、显示器构成输入和输出通道。（二 ）单元电路分析1 保护电路。在整个电路最前端为保护电路，依图2保护电路题意要求将输入端阻抗设置为10MQ与500，用开关控制选择。后接稳压 极管，将电压稳定在10V，以达到题目中要求的具有过压保护能力。见图二保护电路。2放大模块。该部分采用两组两片AD817进行级联放大，使其放大倍数可以达到1-10, 10-100， 100-1000三个档位。芯片管脚接法如图三所示。具体放大电路如图3所示。（1）同频带内增益控制本设计放大电路采用反向比例放大运算电路，是典型的电压并联负反馈电路。相比较于其 他比例运算放大电路，其输出阻抗较小，波形处理效果好。其增益表达式为：Au=-Rf / Rl(Rf, R1分别为反馈电阻和输入电压集成运放反向输入端之前所经过电阻)。由此式可以看 出，固定电阻R1阻值。放大电路增益于反馈电阻成反比例线性关系，由此得出通过利用电位 器机械改变Rf可以控制增益大小。增益改变可以实现绝对线性调节。在本电路中，Rf=lKQ, R1=O.1KQ。WiWTT5图1聚统朋總方框圏圏2保护迥路11 3 AD817秤脚阳NUUL1E WTPUT图4 DAC0832内部电限网络.門故大欖拡鬥戟豎块L亟誓典L|徨护电爲,输岀!(2)带宽增益积本设计放大电路运算放大器采用AD817，受运算放大器带宽及电路设计影响，在放大增 益在20db下带宽为IMHz以上。40dB下带宽为1MHz以上。在60dB下，带宽达5MHz。(3)线性相位一个单一频率的正弦信号通过一个系统，这个信号的输出相位落后原来信号的相位为其通 过这个系统的时间需要t,与这个信号的角速度w的乘积。在实际系统中，一个输入信号可以 分解为多个正弦信号的叠加，为了使得输出信号不会产生相位失真，必须要求它所包含的这些 正弦信号通过系统的时间是一样的。从系统的频率响应来看，就是要求它的相频特性是一条直 线。(4)零点漂移所谓零点漂移，是指当放大器的输入端短路时，在输入端有不规律的、变化缓慢的电压产 生的现象。产生零点漂移的主要原因是温度的变化对晶体管参数的影响以及电源电压的波动 等。在多数放大器中，前级的零点漂移影响最大，级数越多和放大倍数越大，则零点漂移越严 重。本设计为减小零点飘移，从输入开始一直到输出均采用尽量对称的电路。3 衰减模块。采用 DAC0832 芯片作为衰减网络。DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个D/A芯片以其 价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点。在单片机应用系统中得到广泛的应用。它由倒T 型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大和参考电压VREF四大部分组成。该芯片内部电阻结构REF如图 4 所示。该电路结构中采用T型电阻网络来代替单一的权电阻网络。整个电阻网络只需要R和2R 两种电阻。在集成电路中所有的组件都做在统一芯片上，电阻的特性可以做得很接近，而且精 度与误差问题也得到了解决。在每一条支路中。开关无论倒向哪一边，都可以认为接地，但只 有倒向右边时，才会给运算放大器输入端提供电流。DAC0832为8位D/A转换芯片，输入 可有256个不同进制组态，所以可将基准电压分为255级。每次步进1/2550.39运算放大器 的输入电流为：输出模拟电压为：人 一?；心（6 2, + $ 2J a 十仇 2）由此可见，当R与确定后。其输出电压与D727+D6.26+i+D02o成正比，用单片机控制芯 片输入端，即改变D0到D7的值，来达到衰减的目的。4 跟随电路为提高后级带负载能力，考虑接在 DAC0832 后接一跟随器。方案：采用 AD817 作跟随模块 这个突破性的产品也具有很高的输出电流驱动能力和开一个无限的电容负载而仍然保持优 良的信号完整性。带负载能力强，0-5MHz内都可以输出稳定波形。5 电源电路线性电路虽然简单，但是在整个系统中有非常重要的作用。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。本系统包括模拟电路及数字电路。为减少相互 干扰，电源电路采用三端稳压器芯片7805、7905、7812和7912组成+5V、-SV、+12V和一 12V共4路电源。供给整个系统。数字部分和模拟部分通过电感隔离。6 控制显示模块用单片机ATmega16控制衰减网络。ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8 位微处理器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率较 高，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。该部分用4x4键盘矩阵控制，达到预置 放大倍数的效果，然后将放大倍数显示在12864LCD显示屏上。(三)干扰措施系统总增益060dB，因此需要采取抗干扰措施以避免自激和减小噪声。可采取下述方法 减小抗干扰和噪声，避免自激。(1) 在排版过程中，将两级放大电路按顺序放置成一条线，输入输出分别在两端引出。(2) 电源隔离，两级放大采取隔离供电，电源线加电容接地，电容采取瓷片电容和电解电 容并联，兼顾高、低频信号。(3) 数模隔离，数字部分和模拟部分采用电源和底线隔离。(4) 几件采取直接耦合减小高频增益下降。四、软件设计(见下图)五、测试方案与测试结果(一)测试工具该作品测试所需工具为函数信号发生器、示波器登等（二 ）测试方法利用数字信号发生器给输入端加入信号。先调整0dB使输入输出信号幅值相等，调整放大 倍数为 0.1-1，输入适当电压，利用程控实现步进为0.5，观察输入输出波形，同样方法调整 放大档位分别为1-10倍、10-100倍、100-1000倍，放大倍数达到要求后，调整放大倍数为100 倍以及1000倍，观察频带。（三）测试结果（见下图）cir-i hS4K)42K5I7K912KLOtMI.23MO.SOSa SOS0.50Sasas0.S06ft572K.12JKMJK霜IKWKI.JOMI.fl|.D1.i.b1,flIKK3IIK5I4KK5UI.07M125M5.05.C45. 档9* *gSMK446KTK勺亦MJMJ50,55Q.SSOSMS厂岸44L甘冰47JK74iKI.SOMfltIW函倔!WIW-10W1158K5KI.I4M5.G2MJO4剜soiMiSSIHSJKMbkWJJCr,2iM丸柯5.MM100010003D0Qi（n）ID011400（四 ）误差分析测量的误差主要来源是电磁干扰，由于试验场地有许多电脑和仪器使用开关电源。电磁噪 声很大，而且使用的电缆屏蔽效果不好，所以测量输入端短路时的噪声电压时随输入短接方式 不同而可能有很大的误差。