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調速開關-直流功率放大器的設計
發布時間 : 2018-06-11 14:14 瀏覽量 : 155

 在許多生物電信號測試過程中,需要對從直流成分到幾十Hz帶寬內、高內阻、弱信號傳感器的輸出信號進行放大處理,參考文獻設計了這種信號的放大電路。隨著微電子技術的發展,寬帶運算放大器已經廣泛應用于A/D與D/A轉換器、有源濾波器、精密比較器、波形發生器和視頻放大器等各種電路中,參考文獻設計了這種信號放大電路。在很多信號采集系統中,傳感器輸出的電壓信號變化范圍較大,經固定增益放大后得到的信號幅值有時波動達幾十dB。信號幅值過大會超出后續信號處理設備的輸入電壓范圍,造成損壞器件的嚴重后果,而幅值過小可能丟失有用信號。參考文獻在程序中用軟件控制放大器增益,設計了解決這個問題的電路。針對寬帶高精度數據采集系統,參考文獻采用價格比較昂貴的FPGA和DSP芯片設計了一種大動態范圍、低失真直流耦合模擬前端。該設計采用一個可控粗放大和程控細放大2級放大電路,既保證信號的帶寬,又滿足對微弱信號的放大需求。
    上述文獻均未提到程控寬帶直流功率放大器的方法,而在實際科研和測量儀器中,希望當輸入信號的頻率在DC~10 MHz以及幅度大范圍變化時,輸出信號的頻帶和幅度大小能按需要調節和預置,甚至輸出電壓有效值高達10 V且能顯示。這就要求對電路進行優化設計,兼顧工藝制造,才能設計出性價比更高的寬帶直流放大器。本文采用AVR單片機ATmegal28作為核心控制器,結合10位串行D/A芯片TLC5615、功率運放THS3092、可編程增益運放AD603以及其他相關電路,構成了可預置程控寬帶直流功率放大電路。該電路系統增益調節范圍為O~60 dB,步進間距為1 dB,頻帶為DC~10 MHz,輸出電壓有效值為10 V,矩陣鍵盤預置增益值步進,點陣液晶顯示實時電壓有效值,人機界面友好,操作簡單方便。

1 系統總體方案
    若采用可編程放大的思想,將輸入的信號作為高速D/A轉換器的基準電壓,那么D/A轉換器作為一個程控衰減器,對速度的要求很高。同時,為了實現O~60 dB增益可調,勢必需要D/A轉換器輸出衰減最少60 dB以上。假設信號源有效值低于20 mV,衰減后為20 μV,如此小的信號有可能完全被噪聲淹沒,或大大增加信號調理的難度。
    也可采用2片AD603壓控增益寬帶放大器,每片實現-10~30 dB增益。通過測試發現,AD603輸出含有與增益無關的直流電壓,由于項目要求頻率可延伸至直流,即級與級之間不能加電容耦合隔離直流,則前級AD603輸出的直流偏置會嚴重影響后級放大。本文采用1片AD603,后級采用多通道繼電器切換增益的方式。AD603單片實現10~30 dB放大,后級跟隨不同固定增益的放大電路來實現分段連續放大,最后達到整體增益連續可調的目的。


    本設計由小信號程控放大10 dB放大及調零、帶寬濾波、后級功率放大、單片機及人機交互等電路組成。系統總體結構框圖如圖1所示。程控放大電路采用一片電壓控制芯片AD603實現-10~30 dB放大。調零放大電路采用OPA690構成10 dB同相放大器兼做靜態調零電路。寬帶濾波電路采用2路7階巴特沃斯低通濾波器分別實現DC~5 MHz和DC~10 MHz帶寬限制。后級根據不同情況分別采用OPA690和THS3092實現10 dB與18dB固定增益功率放大。ATmegal28單片機通過10位串行D/A轉換器TLC5615控制AD603的放大倍數,通過控制繼電器組切換不同的濾波電路來實現不同的帶寬限制,切換不同的放大電路通道實現分段連續放大,最終實現整體增益0~60 dB連續可調,通過控制鍵盤和液晶顯示來實現人機交互。
    程控放大電路增益為-10~30 dB,3級固定增益放大電路增益分別為10 dB、10 dB和18 dB。當希望放大器的增益為0~35 dB時,信號只通過程控放大、第1級10dB放大及調零電路、帶寬濾波電路,而后輸出到負載;當希望放大器的增益為36~45 dB時,信號還要再通過第2級10 dB放大電路,而后輸出到負載;當希望放大器的增益為46~60 dB時,信號通過程控放大、第1級10 dB及調零電路、濾波電路、第2級10 dB放大電路、第3級18 dB功率放大電路,而后輸出到負載。因此,只要實現第1級程控放大電路按步進1 dB連續可調,通過繼電器組的切換后,信號分別從3個固定增益級輸出后即可實現O~35 dB、36~45 dB、46~60 dB增益分段連續可調,總增益步進調節范圍涵蓋了O~60 dB。這樣分段設計成功解決了單片或多片壓控運放控制范圍過寬時不易控制且容易振蕩的問題,而且降低了信號處理的難度,從而大大縮短了研發時間。

2 系統硬件設計
2.1 程控放大及直流偏置調整電路
    前級可控增益放大電路采用AD603壓控運放。AD603是一款溫度穩定性高、噪聲低、精密控制的可變增益放大器。其通頻帶為90 MHz,基本增益Gain(dB)=40VG+10。其中,VG是壓控輸入電壓,控制電壓范圍為-O.5~+O.5 V,所以該放大器設計增益為-10~+30 dB。從此式還可以看出,以dB作為單位的對數增益和控制電壓之間是線性的關系,只要單片機進行簡單的線性計算就可以控制對數增益,可以很準確地實現增益步進。
    AD603的1、2腳為增益控制差分電壓輸入端,最大增益誤差為0.5 dB,壓控電壓由10位D/A轉換器TLC5615提供。TLC5615的2.5 V基準電壓由精密可調電壓源TL431提供,最大輸出電壓為5 V,輸出電壓分辨率是4.9 mV,所以AD603的分辨率約為O.2 dB。因此,通過單片機內預置數據表可以比較容易地實現增益步進1 dB的預置。為了設計方便,實際設計時把AD603的2腳接入0.6 V固定電壓,1腳電壓由D/A轉換器DAC5615提供,因此要求DAC5615輸出的電壓范圍為O.1~1.1 V,即可滿足要求。
    普通的寬帶放大器一般不包括直流成分,級與級之間通過電容耦合,這樣可以有效地避免各級之間靜態工作點相互影響。本項目要求放大器放大的信號頻率可延伸至直流,由于實際測試發現AD603輸出含有與增益無關的直流電壓,因此需要在AD603之后設置一級直流偏置調整電路。實際電路如圖2所示。電路采用精密運放OPA690構成同相比例放大器,因前級電路的零點漂移電壓為正值,需在放大器的反相輸入端加一可調直流偏壓。


2.2 帶寬濾波電路
    根據項目需要,設計時采用了DC~5MHz和DC~10 MHz兩種帶寬。綜合考慮帶內增益波動、相位特性、設計難度,以及無源濾波器在高速、高階濾波方面相對于有源濾波器有較好性能的特點,濾波電路由分立元件LC組合而成,采用在通頻帶內起伏最小的巴特沃斯低通濾波器。經測試,7階下截止頻率為5 MHz時,0~4 MHz頻帶內起伏小于1 dB;截止頻率為10 MHz時,O~9 MHz頻帶內起伏也小于l dB。歸一化的7階巴特沃斯低通濾波器的電路圖如圖3所示。


    根據公式,可計算出截止頻率分別為5 MHz、10 MHz,特性阻抗為50 Ω時的濾波器元件參數。其中,L’、C’為計算得到的值,L、C為對應的歸一化數據,f為濾波器的截止頻率。具體計算結果如表1所列。


2.3 功率放大電路
    若采用分立元件,使用大功率、高速三極管推挽輸出可以使放大器的輸出功率很高,驅動能力較強,但這種電路溫度漂移嚴重,低頻及直流時會嚴重影響輸出效果。若采用2片運放分別連接成同相和反相放大,通過差分取出信號,可以實現2倍于運放輸出的信號,但這種電路對運放相位要求較高,而且輸出信號為浮地。若采用專用的大電壓、高驅動電流反饋型集成運放芯片,本項目要求頻帶很寬,且輸出高電壓時輸出的電流很大,一般很難找到這類芯片。為滿足項目設計要求,進一步擴大輸出電流,本文采用2片同樣的電流反饋型運放THS3092并聯輸出。
    THS3092是雙路高壓低失真電流反饋型運算放大器,可提供電壓為±15 V的線性功率放大,最大輸出電流為250 mA(2片并聯可達到500 mA),轉換速率高達5700 V/ns,放大6 dB時帶寬為160 MHz,能夠滿足10MHz帶寬和高速系統的設計要求。當輸出電壓從O V變化到15 V時,其電壓變換時間約為1 ns,完全能夠滿足高頻信號輸出不失真的要求。

功率放大電路如圖4所示。采用2片THS3092構成兩級同相電壓放大電路和一級運放并聯輸出擴流電路。每級放大電路增益A=R1/R2+1=2倍(6dB),3級共18dB,最大可輸出峰峰值電壓28V。

3 系統軟件設計
    系統軟件主要包括3部分:放大器增益及截止頻率的設置、增益校準、人機交互。系統軟件流程如圖5所示。程序開始運行后可通過按鍵選擇增益校準、電壓增益設置、截止頻率設置等。

4 系統測試分析
    系統設計完成后,為了驗證寬帶直流功率放大器的指標,采用SKl731型直流穩壓電源、PM5139型20 MHz數字信號源、TDS1012型300 MHz數字示波器、VC9806型4位半數字萬用表等,對該系統的增益設置、通頻帶內增益起伏、帶寬頻率特性、輸出噪聲電壓、放大器效率等進行了測試。
4.1 增益測試
    輸入有效值10 mV、頻率為1 MHz的正弦波信號,輸出接50Ω負載,從0 dB開始增大放大器增益,步進為1 dB。用示波器測試輸出電壓,計算增益誤差。測試可得,輸出增益在0~60 dB內連續可調,增益誤差最大為0.4 dB,最大輸出有效值為10.1 V。
4.2 通頻帶內增益起伏測試
    輸入有效值為10 mV的正弦波信號,輸出接50Ω負載,將放大器增益設置為60 dB,從0 Hz開始增大輸入信號頻率,步進為1 MHz,用示波器測試輸出電壓,計算增益誤差。測試可得,在0~10 MHz頻帶內最大增益起伏為0.5 dB。
4.3 帶寬頻率特性測試
    輸入有效值為10 mV的正弦波,輸出接50 Ω負載,將放大器增益設置為60 dB,分別預置截止頻率為5 MHz、10 MHz,從0 Hz開始增大輸人信號頻率,步進為1 MHz。用示波器測試輸出電壓,計算增益誤差。測試可得:在預置5 MHz通頻帶時5 MHz頻帶處增益衰減為2.9 dB,O~4 MHz內最大增益起伏為O.5 dB;在預置10 MHz通頻帶時10 MHz頻帶處增益衰減為2.8 dB,0~9 MHz內最大增益起伏為O.5 dB。
4.4 放大器效率測試
    輸入有效值為10 mV的正弦波,輸出接50 Ω負載,調節放大增益為60 dB,將放大器正負供電電源均串入直流電流表,測得負載兩端電壓有效值為10 V,正電源電流為O.133 A,負電源電流為0.063 A??捎嬎愠鲂蕿?8.O%。
4.5 測試結果分析
    通過以上測試,可以看出該放大器成功解決了現有放大器在寬帶、直流、功率放大很難兼顧的問題,完全達到了項目的設計要求。究其原因,以下幾點很重要:在設計放大器供電電源去耦時采用π型電感、電容網絡,該去耦網絡對各頻段的電源噪聲都有良好的抑制效果;精心考慮放大電路的PCB布板,采取部分敷銅而不是全部敷銅,減小了寄生電容,使電路工作更穩定;電路板間信號傳輸采用帶高頻屏蔽線的線纜,減小了信號的串擾;在信號輸入端采用SMA頭加高頻屏蔽罩進行信號的連接,增強了系統的抗干擾能力。

結語
    本文結合現在一般放大器的設計方案及存在的問題,論述了程控寬帶直流功率放大器各單元電路的詳細設計方法,提出大動態范圍、低失真的程控寬帶直流放大器的設計方案和實現方法。測試結果表明:該方案較好地解決了增益、直流寬帶、功率等放大器關鍵參數的矛盾,實測的系統各項指標均達到設計要求。

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