宽带直流放大器
摘要：基于
C8051F120单片机为控制器，设计并实现了一宽带直流放大器，
通过四级直接耦合放大，放大倍数为0-60dB，通频带为0-10MHz。放大器由前级可控增益放大、固定增压放大、通频带选择网络、功率放大部分组成。由外置键盘实现增益可控预置，步距为5dB，也可以手动连续调节。显示由320*240彩色LCD同步显示增益预置值和增益步进值；利用单个元器件的零点漂移特性，巧妙采用放大级正向、反向输入端，有效的抑制了零漂。
一、方案设计
1.设计思路
为达到设计要求，放大器必须采用多级直接耦合连接方式，因此本次设计的关键在于抑制零点漂移和通频带的扩展，这恰是本设计的难点和重点，整个设计始终围绕这两点展开。
2.方案选择与论证
以C8051F120单片机为控制器，输入信号通过前置可控放大（-20dB~20dB）、中间级固定放大(20dB)，再经过通频带选择网络完成对通频带带宽的选择，由末级放大器(20dB)输出。总增益为60dB。通过键盘控制选择通频带带宽、电压增益等参数，并由显示器同步显示增益预置值和增益步进值，原理框图如下图1所示。
图1 系统方案原理框图
1
3.系统硬件电路设计
（1）前置放大电路
前置放大电路使用电压跟随器实现，如图2所示。考虑到本系统的通频带为0~10MHz，为避免引入噪声，其输入阻抗必须限定在50?~100?之间，2图2电路的输入阻抗为Rin?Rj//Rk?Rk?RjRk?Rj+5V+VinRk5V图4 前级放大原理图OPA642V1图2：前级跟随电路 实际?Rk。
电路取Rk=50?,则Rin=50?。此前置放大电路还具有缓冲、隔离的功能，其电压增益接近于1，运算放大器选用OPA642，此放大器的增益带宽积为400MHz。
（2）增益放大电路
本级放大器由可控增益模块和固定增益控制模块组成，增益达40dB，带宽为12.5 MHz，实现增益从0dB到40dB可控，并能实现增益为5dB步进，如附录图3所示。
图3：固定增益放大电路
增益控制模块：在电压跟随之后加一级可控增益放大增益可控范围为（-20dB~20dB），再级联固定放大器（OPA690），以实现对电压增益预置和步进的控制，如图所示。VCA810采用通频带为25MHz，增益为-40~+40dB的典型接法，实际取增益为-20~+20dB。
增益带宽积：OPA690集成运放的开环增益带宽积为250MHz，为满足系统最大通频带为10MHz的要求，由OPA690构成的单级闭环放大器的最大增益不能大于A?250MHz10MHz?25,即
27dB由OPA690的幅频和相频特性（如下图4所示）
得，当单级闭环放大器的增益为20dB时，线性相位为零的最大频率约为3MHz＜10MHz，由此得出当单级闭环增益13dB时，通频带为10MHz，满足通频带带
2
宽的设计要求。若同时获得20dB电压增益，至少需要二级放大。
图4 OPA690的幅频和相频特性
第一级放大器，取R4=240?，R2 =550?，由公式20lgA?20lg(1?R240)?10dB
得R3=550?，Av1 =6.3倍；同理可得第二级放大器： R6 =550?， Av2 =6.3倍。
零点漂移：在设计的60dB直接耦合放大器中，第一级的漂移经逐级耦合放大，其输出信号将淹没在漂移信号中，放大器无法正常工作。
设计中我们抑制漂移的方法是，输入信号从第一级运放的正向端输入，输出至第二级运放的反向输入端，且由上述计算可得二级放大倍数均为3.2倍，所用元件参数尽可能一致，这种方法可使相邻两级的漂移相互抵消，可达到抑制漂移的目的。
（3）通频带选择网络
通过对继电器U3和U4触点的控制实现了系统通频带0~5MHz和0~10MHz两个范围预置，如下图6所示。系统默认选择10MHz通频带。通过键盘选择通频带，当单片机的I/O口分别向三极管Q1和Q2的基极送高电平时，继电器的触点动作，使输入信号经5MHz的低通滤波器输出，即实现了预置0~5MHz的通频带。
图6 通频带选择网络
3
（4）末级放大
当系统负载电阻为（50±2）?时，最大输出电压Vo≥10V，，则由公式P?U2U2R可得，系统输出功率的最大值为Pmax?R?10250?2?2.08W。经末级功率放大
电路放大后才能够驱动负载，从而达到系统对输出功率的要求。考虑到负载电阻为（50±2）?，输出有效值大于10V，末级采用二级功率管直接耦合功率放大器，如下图5所示。末级放大电路的电压增益在第一级，第二级采用了一对孪生功放管D669A和B649A（特征频率fT=140MHz，Ic=1.5A）构成乙类功率推挽输出形式进行功率放大。第一级放大倍数Av?1?R7R2，在实际制作过程中通过调节可变
电阻R7调整反馈深度获得20dB增益，此时R7=9K，使整个放大器的总增益为60dB，通频带为10MHz。
图5 末级放大原理图
（5）电源模块
电源需提供单片机、显示器、前置放大器、中间级放大器和末级放大器所需的不同电压。电源电路原理图如附录1所示，三端稳压芯片7805、7905、LM317和LM337起稳压作用，2200uf电解电容、100uf和0.33uf瓷片电容起滤除纹波作用，输出分别为?5V、?18V提供给各单元电路。
4
