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　　直流宽带放大器可以对宽频带、小信号、交直流信号进行高增益的放大，广泛应用于军事和医用设备等高科技领域上，具有很好的发展前景。在很多信号采集系统中，经放大的信号可能会超过A/D转换的量程，所以必须根据信号的变化相应调整放大倍数，在自动化程度要求较高的场合，需要程控放大器的增益。AD603是由美国ADI公司生产的压控放大器芯片，具有低噪声、宽频带、高增益（在通频带内增益起伏小于等于1dB）的特点。压控输入端电阻高达50MΩ，在输入电流很小时，片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响较小，适于实现程控增益调节。故该系统选择AD603为实现高增益、低噪声的程控直流宽带放大器。

　　1　系统设计

　　1.1　技术指标

　　输入电阻Ri≥50Ω；输入电压有效值Ui≤10mV;带宽0～10MHz,0～9MHz范围内，增益起伏小于等于1dB;程控增益40dB和60dB,以5dB步进；在60dB放大，带载50Ω时，输出10V,且无明显失真。

　　1.2　总体设计

　　宽带直流放大器的实现原理框图如图1所示。该系统主要由宽带运放级联组成，输入信号经由AD603及外围电路构成的放大网络输出，输出增益为36.5dB,带宽15.6M,再由AD811放大，两级可实现40dB增益，在0～10MHz范围内无明显失真。经AD811放大电路放大的信号再经过AD829实现60dB增益，输出电压有效值10V,信号经过AD829之后进入扩流电路，实现带载50Ω电阻。单片机mega16通过DAC0832来控制预置增益，编程实现步进增益5dB,实时液晶显示。

图1　总体设计框图

　　1.3　单元电路分析与参数计算

　　1.3.1　前置放大电路分析与设计

　　AD603是一款8引脚的高增益、带宽可调放大器，带宽为90MHz.在-1～+41dB的增益范围内，带宽可达30MHz;在9～51dB的增益范围内，带宽为9MHz.由于带宽增益积的关系，AD603无法实现60dB放大，需采取多级级联实现。由于低噪声的特性，选择AD603作为级放大。根据芯片技术手册，当VG在-500mV～+500mV范围内以40dB/V（即25mV/dB）进行线性增益控制，增益G（dB）与控制电压VG之间的关系为：G（dB）=40VG+G0i（i=1,2,3）。这里要求增益5dB步进，故VG=5325mV=125mV,其中VG=VGPOS-VGNEG（单位为伏特），G0i分别为三种不同模式下的增益常量：G01=10dB,G02=10～30dB,G03=30dB.

　　Ri=R1‖100=100‖100=50Ω，系统要求带宽为10M,前置放大器的带宽应大于10M,采用G02模式，通过计算调试选定AD603的5、7脚接2.15kΩ，4、5连接5pF电容，实现频率补偿。级放大器的频率为：

　　AD603芯片内部有100Ω电阻，在反向输入端与地之间加入100Ω电阻，实现输入电阻为50Ω，级实现增益36.5dB.

　　1.3.2　中间级放大设计

　　AD603的供电电压为±7.5V,经AD603放大的信号幅度为5V左右，带载能力差。AD811是一款视频驱动放大器，在满足通频带内增益起伏小于等于0.1dB,增益小于等于2时，具有25M带宽，供电电压选用±15V,可实现10V有效值输出。满足系统10M通频带的指标要求，具有较强的带载能力，在满足40dB增益的前提下，还要考虑到与后级放大器一起实现60dB增益，且满足带宽要求，这里选择AD811的增益为1.5倍（3.5dB）。增益由电阻RFB和RG来决定：

　　为了便于调整放大倍数，RFB选用1kΩ滑动电位器，前两级放大后，在10M带宽范围内，实现了40dB增益。

　　1.3.3　第三级放大设计

　　为了满足60dB放大要求，第三级采用AD829放大器芯片，AD829也是一款视频放大芯片，具有高速、低噪声、带载能力强的特点。但更值得一提的是，它具有的直流特性和动态特性，其增益带宽积可达750,在20倍放大时，带宽为37.5MHz,完够满足指标要求，供电电压可达±18V,采用±17V.AD829是一款高速芯片，在高速电路中信号的振幅要尽量小，否则容易使信号发生畸变。在使用时，必须考虑转换速率SR的频率。为了获得无失真输出，可先将信号衰减一半，（此时放大50倍，34dB）再送给AD829的同向端，为满足60dB的增益要求，第三级应放大20倍（26.5dB）：

　　根据实际情况，可选用40dB和60dB两种放大倍数，若要提高带载能力，在40dB和60dB两个输出端均可接扩流驱动电路。为便于使用，在第二级放大器后接入数控开关，根据需要选择直接带载输出或者再放大到60dB后带载输出。鉴于篇幅，下文只对60dB带载输出详述。

　　1.3.4　扩流电路

　　根据转换速率SR的频率计算公式，fFP=,对于AD829,带载50Ω时的SR约为300,若输出10V有效值，即峰值14.1V,代入上式计算，fFP约为6.7MHz,无法满足系统要求的带宽，因此不能直接通过AD829实现10V输出，为此，选用扩流电路（如图2），实现50Ω负载在0～10MHz频带内实现10V输出。在运放输出端加入两个并联的高速电流缓冲器来驱动负载。电流缓冲器BUF634在负载为100Ω时输出电流250mA,其单位增益带宽可在30～180M变化，使用BUF634完全可以满足指标要求。

图2　三级放大及扩流电路

　　1.3.5　DAC0832电路

　　Mega16单片机控制DAC0832,输出信号经放大后，经过继电器送给AD603,控制增益由负到正变化，具体电路如图3所示。

图3　单片机系统与DA0832的接口电路

　　2　软件设计

　　系统软件主要包含了系统初始化程序、LCD12864显示程序、键盘程序、DA转换程序等。

　　程序流程如图4和图5所示。液晶显示程序对单片机处理数据进行显示处理，实现友好人机界面的信息交换。DA转换主要将键盘输入的键值经过相应的处理以后，转换成二进制数据输送给DA芯片的数据口进行转换，经过转换后输出连续可调的模拟电压，用以控制AD603的1脚电压，实现程序控制。通过查询方式实现键控增益，并可实时液晶显示。

图4　程控增益主程序设计流程图

图5　液晶显示程序流程图

　　3　数据测试

　　3.1　输入电阻测试

　　在信号源与输入端串一个50Ω的电阻（如图6），在信号源输入为10mV时，测量放大器输入端的电压值为5.12V,大于等于信号源显示电压的一半，从而判断系统的输入电阻大于等于50Ω，满足指标要求。

图6　输入电阻测量电路

　　3.2　通频带测试

　　对表1（见下页）数据进行分析，系统在0～9MHz频率范围内，增益误差小于等于5%,对应的误差电压值为0.5V≤1dB=1.12V,满足系统指标要求。当频率继续增大，在10MHz的截止频率处，输入电压为10mV,增益误差将达到15%,对应的输出电压误差为

ε=

      故认为该放大器的通频带Δf≥10MHz,满足指标要求。

　　3.3　带载能力测试

　　表2所示数据是输入电压峰峰值为10mV,经三级放大及扩流驱动，50Ω负载在通频带内一些典型频率点上的测试数据。表中数据表明，0～9MHz频率范围内，负载上基本可以获得10V的电压值，在10MHz频率的截止频率点，输出电压值误差为14.1%,满足系统要求。

表1　放大器在0～10MHz频率范围内的输出

表2　带载能力测试结果

　　4　结语

　　本设计采用三级放大器直接耦合级联方式，利用数字技术实现增益的步进和预置，通频带在0Hz～10MHz时能稳定输出。通过使用数控双路开关实现在0～40dB和0～60dB两种增益范围内连续和步进可调，在0～9MHz增益起伏小于1dB,系统噪声小于20mV,放大器输出电阻小，带载能力强，实现了增益稳定控制自动化，增益调节数控化。该放大器可广泛应用于微弱信号检测和视频驱动等处理电路中。

参考文献:

[1]. AD603 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD603_122075.html.
[2]. AD811 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD811_1055521.html.
[3]. AD829 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD829_1055549.html.
[4]. DAC0832 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/DAC0832_253651.html.
[5]. BUF634 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/BUF634_184510.html.