一種微弱信號的寬帶程控高增益放大器設計

摘要：本文設計并制作了0～15 MHz帶寬的寬帶放大器，放大器可放大不低于1 mV的有效值信號，增益0～80 dB預設或手動可調，最大輸出電壓峰峰值為42 V，在通頻帶范圍內起伏增益1 dB左右，放大器在增益為60 dB的時候，輸出噪聲電壓的峰叫峰值為200 mV，通過單片機控制可以實現電壓增益和放大器的帶寬可預置并顯示的功能。整個系統工作可靠、穩定，而且成本低、效率高。
關鍵詞：寬帶放大器；高增益；可鳊程；單片機；VCA810

引言
在自動控制及自動測量系統中，需要把一些非電量(如溫度、轉速、壓力)等參數通過傳感器轉變成電信號，這些微弱的電信號經放大后就可以推動測量、記錄機構或控制執行機構，從而實現自動控制或自動測量。
本文設計的放大器具有低噪聲、高增益的特點。整體設計要求放大器的最大電壓增益為80 dB，輸入電壓有效值Vi≤10 mV。在Av=60 dB時，輸出端噪聲電壓的峰-峰值VONPP≤0.3 V，3 dB通頻帶0～5／10 MHz可選。在通頻帶內增益起伏≤1 dB，負載電阻(50±2)Ω，最大輸出電壓正弦波有效值Vo≥10 V，輸出信號波形無明顯失真。

1 系統總體設計及理論分析
1．1 系統總體設計
本系統可分為4個模塊，如圖1所示。第1部分為輸入緩沖和固定增益放大模塊，運放搭建電壓跟隨器作為輸入緩沖，同時提高輸入阻抗，固定增益放大部分將輸入的微弱信號放大到適合后級處理的電壓范圍；第2部分為分檔濾波模塊，設計有5 MHz、10 MHz兩個低通濾波器，通過低噪聲繼電器切換，滿足帶寬可預設的要求；第3部分為可控增益放大模塊，實現80 dB的動態增益變化；第4部分為功率放大模塊，驅動50 Ω負載。

本系統的難點在動態增益和功率輸出兩個方面，下面對其進行理論分析。
1．2 動態增益的理論分析
設計指標要求增益動態范圍為80 dB，將80 dB分配在固定增益放大、可控增益放大和功率放大3個模塊。先確定可控增益放大模塊的增益動態范圍，就可以方便地分配另兩個模塊的增益。
由于VCA810的線性增益調節范圍為-40～40 dB，如圖2所示。但經實際電路測試當增益高于30 dB時，電路容易出現自激振蕩，此處采用兩級VCA810級聯的方式實現-40～40 dB的動態范圍。固定增益放大器增益設定為10 dB。以THS3001為核心的后級功放電路增益設定為30 dB。因此，該系統增益調節范圍為0～80 dB。

1．3 運放擴壓輸出的理論分析
當系統負載電阻為(50±2)Ω時，最大輸出電壓Vo≥10 V，則由公式P=U2／RL，可得，系統輸出功率的最大值為Pmax=102／(50-2)=2．08(W)。經前置放大和中放電路放大后，不具備驅動負載的能力，需經末級功率放大電路放大后才能達到系統對輸出功率的要求。
考慮到除高壓運放以外，一般運放的最大輸出電壓在供電電壓為±15 V時僅有±12 V左右，不能滿足輸出10 V有效值的要求。此處采用浮動運放電源電壓的方法將輸出電壓幅度擴展，利用互補對稱功放電路將輸出電流增大。