一种可编程宽带放大器的设计

1 引言

随着微电子技术的发展，宽带放大器在科研中具有重要作用。宽带运算放大器广泛应用于A／D转换器、D／A 转换器、有源滤波器、波形发生器、视频放大器等电路。这些电路要求运算放大器具有较高的频带宽度，电压增值。为此，以可编程增益放大器THS7001和可变增益放大器AD603为核心，设计一种可编程宽带运算放大器。该电路增益调节范围为-6～70 dB，步进间距为6dB，AGC为60 dB，-3 dB通频带为40 Hz～15MHz。矩阵键盘设置增益值、步进，点阵液晶显示实时电压有效值，人机界面友好，操作简单方便。

2 系统总体设计方案

该系统主要由可控增益放大器、功率放大与峰值检波、单片机显示和控制3大模块组成。其中可变增益放大器以THS7001和AD603为核心。单片机控制THS7001实现增益粗调，并通过D／A转换控制AD603实现增益细调，从而使总增益在- 6～70 dB的宽频带范围内线性变化。前置放大器采用由宽带电压型反馈运放THS4011构成的射极跟随器，可有效提高输入电阻；后级功率放大器采用电流型反馈运放AD811，提高系统带负载能力。由二极管峰值检波电路测量峰值，并通过A／D转换、D／A转换实现自动增益控制。通过键盘手动预置增益值，LCD实时显示预置增益值并输出有效值。其系统总体设计框图如图1所示。

3 器件选型及理论分析

输入级电路运放选型

由于该电路噪声主要取决于第一级放大器。所以选择第一级运放成为决定噪声大小的关键。电压反馈型(VFB)运算放大器具有同相和反向输人端阻抗基本相同(均为高阻)，低噪声，更好的直流特性，增益带宽积为常数。反馈电阻的取值自由等特点：而电流反馈型(CFB)运算放大器则具有同相输入端为高阻阻，反向输入端为低阻抗，带宽不受增益影响，压摆率更快，反馈电阻的取值有限制等特点。由此看出，CFB放大器适用于那些需要压摆率快、低失真和可设置增益而不影响带宽的电路；而VFB放大器则适用于那些需要低调电压、低噪声的电路。因此选用电压反馈型运放THS4011作为前级输入。THS4011是一款高速低噪声运算放大器，其带宽为290 MHz，压摆率为310 V／μs

4 峰值检波电路

峰值检波电路由二极管电路和电压跟随器组成。其工作原理：当输入电压正半周通过时，检波管 VU2导通，对电容C1、C2充电，直到到达峰值。三极管的基极由FPGA控制，产生1Oμs的高电平使电容放电，以减少前一频率测量对后一频率测量的影响，提高幅值测量精度。其中Vu1为常导通，以补偿VU2上造成的压降。适当选择电容值，使得电容放电速度大于充电速度，这样电容两端的电压可保持在最大电压处，从而实现峰值检波。

该电路能够检测宽范围信号频率，较低的被测信号频率，检波纹波较大，但通过增加小电容和大电容并联构成的电容池可滤除纹波。而后级隔离，则增加由OPA277构成的射极跟随器，如图3所示。

5 系统软件设计

5．1 程序部分设计

系统软件设计遵循结构化和层次化原则，由一个主程序及若干子程序构成。主程序通过调用子程序控制子程序间的时序，从而使整个程序正常运行。系统软件设计部分由单片机和FPGA组成。单片机主要完成读取键值、控制增益和显示功能。而FPGA则作为总线控制器，管理键盘、液晶和A／D转换器与单片机之间的数据交换。以Ouartus II 7．2为设计环境，用Verilog HDL硬件描述语言编程，完成各功能模块的设计，并仿真测试设计好的各个模块，再将各个模块相互连接。程序以按键中断为主线，以各项功能为分支，图4为程序流程。

5．2 FPGA部分设计

FPGA主要完成A／D、D／A转换器的串并转换。采用12位D／A转换器TLV5618，该器件是串行接口，大大节约系统端口资源，但MCU的P0、 P2端口是并行口，与串行器件的时序匹配较复杂，用静态口P1端口模拟串行口时序又会占用MCU很多处理时间，影响系统效率。

为使MCU对串行器件操作简单，把串行时序在FPGA中用状态机描述，同时该控制状态机又对MCU提供P0口、CS、WR的微机标准时序接口形式，这样MCU只需选中相应地址，就可写入所要得到的电压数据，状态机会完成串并转换。

以串行接口时序将数据写入器件并锁存，与写IO端口操作一样简单方便，而D／A转换器模块的输出端既可得到相应输出电压，又达到控制增益的目的。

AGC部分采用循环结构，将A／D转换采样得到的数据与预设值循环相比较，再通过D／A转换控制增益倍数，从而实现自动增益控制。

6 测试方案及测试数据

该系统使用专门的测试仪器，包括单片机仿真器、双踪示波器、PC机、多功能函数信号发生器和交流电压表等。调节输入信号的幅值和频率，结合示波器，测试宽带放大器的增益范围以及通频带。测试结果表明，宽带放大器总增益调节范围为-6～70 dB。-3 dB通频带为40 Hz～15 MHz。将输入信号频率同定，改变输入电压幅值。记录输入电压和输出电压的最大值和最小值。结果表明，AGC动态范围大于60 dB。将输入端短接，设置不同的电压放大倍数，测量输出电压。结果表明，输出电压噪声小于300 mV。

7 结束语

宽带放大器以可编程增益放大器THS7001和可变增益放大器AD603为核心，利用数字技术实现增益的步进和预置。总增益范围为-6～70 dB，通频带为40．Hz～15 MHz，AGC动态范围达到60 dB。前置放大器采用低噪声电压反馈型运放THS4011，大大提高输人电阻。后级功率放大采用电流型反馈运放AD811，有效提高系统的带负载能力。系统采用多种抗干扰措施，并结合软件修正，实现较高的精度，具有良好的噪声，线性性能以及较低的功耗。系统界面友好，操作简单，经测试已投入应用。