基于AD603的直流宽带放大器设计
出处:chunyang 发布于:2011-09-14 10:06:04
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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.
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