專利名稱：0～10MHz程控寬帶運(yùn)算放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種程控寬帶運(yùn)算放大器。
背景技術(shù)：
第一個(gè)使用真空管設(shè)計(jì)的放大器大約在1930年前后完成，這個(gè)放大器可以執(zhí)行加與減的工作。運(yùn)算放大器最早被設(shè)計(jì)出來的目的是將電壓類比成數(shù)字，用來進(jìn)行加、減、乘、除的運(yùn)算，同時(shí)也成為實(shí)現(xiàn)模擬計(jì)算機(jī)(analog computer)的基本建構(gòu)方塊。然而,理想運(yùn)算放大器的在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的用途卻遠(yuǎn)超過加減乘除的計(jì)算。早期的運(yùn)算放大器是使用真空管設(shè)計(jì)，現(xiàn)在則多半是集成電路式的元件，1960年代晚期,仙童半導(dǎo)體(FairchildSemiconductor)推出了第一個(gè)被廣泛使用的集成電路運(yùn)算放大器，型號(hào)為μ Α709,設(shè)計(jì)者則是鮑伯·韋勒(Bob ffidlar)0但是709很快地被隨后而來的新產(chǎn)品μ Α741取代，741有著更好的性能，更為穩(wěn)定，也更容易使用。741運(yùn)算放大器成了微電子工業(yè)發(fā)展歷史上一個(gè)
獨(dú)一無(wú)二的象征，歷經(jīng)了數(shù)十年的演進(jìn)仍然沒有被取代，很多集成電路的制造商至今仍然在生產(chǎn)741。直到今天μ Α741仍然是各大學(xué)電子工程系中講解運(yùn)算放大器原理的典型教材。形成從分立元件到集成器件的轉(zhuǎn)變是由集成電路本身的優(yōu)越性決定的首先，在集成電路中，制作有源器件(晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管等)比制造大電阻占用的面積小，而且工藝上也不會(huì)增加麻煩，因此，集成電路中大量使用有源器件制成有源負(fù)載，以獲得大電阻，提高放大電路的放大倍數(shù)；將其制成電流源，以獲得穩(wěn)定的偏執(zhí)電流。所以一般集成運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)要比分立元件的放大倍數(shù)大得多。其次，由于集成電路中所有元件同處在一塊硅片上，相互距離非常近，而且都在同一工藝調(diào)節(jié)下制造，因此，盡管各元件參數(shù)的絕對(duì)精度差，但相對(duì)精度高，故對(duì)稱性能好，特別適應(yīng)制作對(duì)稱性要求高的電路，如差動(dòng)電路、鏡像電流源等。當(dāng)然，如果系統(tǒng)對(duì)于放大器的需求超出集成電路放大器的需求時(shí)，常常會(huì)利用分立式元件來實(shí)現(xiàn)這些特殊規(guī)格的運(yùn)算放大器。集成運(yùn)算放大器最初是以通用運(yùn)算放大器的形式出現(xiàn)，顧名思義，此類運(yùn)算放大器最初是被設(shè)計(jì)用來進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的，它具有較高放大倍數(shù)的電路單元，隨著工業(yè)的發(fā)展以及市場(chǎng)需求多樣化趨勢(shì)的推動(dòng)，運(yùn)算放大器的帶寬得到了極大地?cái)U(kuò)展、頻響有了充分的保證，于是寬帶運(yùn)算放大器開始被廣泛運(yùn)用于自動(dòng)控制、電子測(cè)量等專業(yè)領(lǐng)域。以往寬帶放大器的增益可調(diào)環(huán)節(jié)的核心部件為電阻網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)方式為手動(dòng)調(diào)節(jié)，盡管采用這種方式的增益調(diào)節(jié)范圍較寬，但它不人性化，并且另精度差，不利于生產(chǎn)、生活的需求。隨著技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)化程度越來越高，寬帶放大器的設(shè)計(jì)理念也隨之走向“以人為本”。增益可調(diào)的寬帶放大器也逐漸由手動(dòng)調(diào)節(jié)增益轉(zhuǎn)變?yōu)樵鲆孀詣?dòng)可調(diào)，如Tektronics-TDS3012C數(shù)字示波器、Fluke_F15B手持?jǐn)?shù)字萬(wàn)用表、Fluke_F196C手持示波器，這些器件對(duì)于信號(hào)的放大采用全自動(dòng)控制，從根本上擺脫了以往模擬儀器需要針對(duì)不同幅值的信號(hào)進(jìn)行檔位切換的煩擾，而其內(nèi)部的核心控制部分均為程控寬帶放大器。文獻(xiàn)XXX中提到使用兩級(jí)AD603級(jí)聯(lián)(單片AD603可調(diào)增益范圍僅42dB，級(jí)聯(lián)后可達(dá)80dB以上)，由于AD603是控制電壓與增益成正比的可編程增益放大器(PGA)，用電壓控制增益，便于單片機(jī)控制，但是其缺點(diǎn)是(I)增益和帶寬關(guān)系不確定，需要通過外部硬件電路確定，如圖I(a)及圖I (b)所示,導(dǎo)致不夠靈活；(2)增益范圍僅為40dB,要實(shí)現(xiàn)O 60dB可調(diào)的要求，需要兩片級(jí)聯(lián)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度；(3)對(duì)于寬帶直流放大器而言務(wù)必強(qiáng)調(diào)直流精度，在實(shí)際測(cè)試中，有必要對(duì)輸入了直流電平進(jìn)行放大輸出。AD603的輸出失調(diào)電壓為±30mV，在末級(jí)再進(jìn)行放大則帶來的直流誤差較大，需要做調(diào)零處理。本發(fā)明考慮采用VCA810構(gòu)建電路，VCA810為一高增益調(diào)整范圍的寬帶壓控放大器，其控制電壓與信號(hào)增益(dB)成呈良好線性比例關(guān)系，方便由單片機(jī)控制增益，而其可調(diào)增益范圍更大(80dB)，系統(tǒng)中可只用一片，與其他放大器結(jié)合使用，則沒有使用AD603所存在的自激問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種以多級(jí)級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)的(TlOMHz程控運(yùn)算放大器，滿足技術(shù)指標(biāo)(I)對(duì)于輸入有效值^ 20mV的信號(hào)進(jìn)行60dB放大，最大輸出正弦信號(hào)有
效值Vo彡6V;(2)在(TlOMHz頻帶內(nèi)的增益起伏i 3dB。本發(fā)明提出的(TlOMHz程控運(yùn)算放大器，以多級(jí)級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)，整條多級(jí)放大鏈路由前級(jí)、中級(jí)、程控放大電路、D/A (模數(shù)轉(zhuǎn)換)、單片機(jī)、反相器、末級(jí)功率放大電路、二極管峰值檢波電路組成，如圖2所示。其中，程控放大電路放置在前級(jí)與中級(jí)放大電路之間；二極管峰值檢波電路連接于中級(jí)放大電路之后；單片機(jī)連接于二極管峰值檢波電路與D/A轉(zhuǎn)換器之間；反相器連接于D/A轉(zhuǎn)換器與程控放大電路之間；單片機(jī)通過內(nèi)部A/D采
樣峰值檢波電路的峰值，并與預(yù)置的峰值作比較，不斷地改變控制電壓K的值，最終使得輸
出值與設(shè)定值一致。單片機(jī)連接有操作鍵盤與顯示器。I.如圖4寬帶電壓反饋型放大器0PA842的頻響曲線可知，當(dāng)其增益取最大值10時(shí)，對(duì)應(yīng)_3dB衰減的頻率仍然大于10MHz，故前置與中級(jí)放大電路均選擇增益帶寬積為
200MHz、帶寬400MHz的寬帶直流電壓反饋型放大器0PA842，反饋比t =〗(〕。2.程控放大電路選用精密寬帶電流反饋型放大器VCA810，其線性放大范圍為±40必，如圖8所示?？紤]到VCA810的輸出電壓擺幅為±1.8Γ,若前級(jí)放大電路之后緊跟中級(jí)放大電路，則VCA810的輸入電壓過大，直接影響了其放大功能。因此，本發(fā)明將以VCA810為核心的程控放大電路放置在了前級(jí)與中級(jí)放大電路之間，確保了程控級(jí)放大電路有足夠的放大余量。3.末級(jí)功率放大電路采用多片(如3-4片)電流反饋型放大器THS3091并聯(lián)，以驅(qū)動(dòng)50 Ω負(fù)載。THS3091的頻響曲線如

圖10所示，當(dāng)頻率為IOMHz時(shí)，其對(duì)應(yīng)增益G=I, 2，5，10時(shí)幾乎均無(wú)衰減，符合3dB通頻帶的設(shè)計(jì)要求；同時(shí)，考慮到當(dāng)中級(jí)放大以最大輸出幅值+3. 2V輸出時(shí)，令G=5，也有末級(jí)輸出幅值+16V，即有效值為+11. 2V，大于預(yù)設(shè)值+6V，而G=2時(shí)，輸出有效值為+3. 84V〈+6V，所以令末級(jí)放大5倍。4.本發(fā)明要以程控方式實(shí)現(xiàn)大閉環(huán)的AGC控制，出于低功耗考慮，本發(fā)明采用LM3S811單片機(jī)作為微控置器，其內(nèi)部A/D采樣率為IObit即1ΚΗζ〈〈10ΜΗζ，即采樣速率遠(yuǎn)低于信號(hào)變化的速度，所以緊跟末級(jí)THS3091又設(shè)計(jì)了二極管峰值檢波電路，如圖12所示，從而使輸出幅度保持相對(duì)穩(wěn)定。單片機(jī)將每次采樣得到的峰值與預(yù)置的峰值作比較，不斷地改變控制電壓K的值，最終使得輸出值與設(shè)定值一致。5. D/A轉(zhuǎn)換電路采用12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TLV5616，其芯片引腳圖及外圍電路分別如圖14、15所示。鑒于D/A轉(zhuǎn)換芯片TLV5616的輸出為正電壓，因此緊跟D/A轉(zhuǎn)換電路
的反相器選用通用放大器TLC084，以滿足加到VCA810上的控制電壓Fc為負(fù)，實(shí)現(xiàn)電路如圖
17所示。其中，9號(hào)引腳處除了上行反饋支路以外，由電阻R18和電容C18串行組成的下行支路是為了消除電路的自激振蕩而添加的“超前滯后補(bǔ)償”電路。本發(fā)明中，電壓增益AV可預(yù)置并顯示，預(yù)置范圍為O 60dB，步距為2dB (也可以連續(xù)調(diào)節(jié))。本發(fā)明中，將以往的二極管峰值檢波電路中并聯(lián)在充電電容兩旁的電阻替換成了三極管，通過控制加在三極管基極上的電平高低來高效地完成電容的實(shí)時(shí)放電工作。本發(fā)明中，緊跟D/A之后的反相器電路采用超前滯后補(bǔ)償以消除自激振蕩的影響。本發(fā)明中，程控寬帶放大器采用PCB (印制電路板)實(shí)現(xiàn)，做到了數(shù)字地與模擬地的充分隔離，有效地避免了信號(hào)“回流”及串?dāng)_。綜上所述，整個(gè)系統(tǒng)的增益分配為前置與中級(jí)放大電路均采用10倍放大；末級(jí)放大級(jí)采用5倍放大；如圖8所示，程控級(jí)芯片VCA810的線性放大區(qū)對(duì)應(yīng)于控制電壓
-,有—40迎~+40迎的增益，足夠滿足既定要求。所以，當(dāng)輸入電壓峰值
=IOmZ時(shí)，經(jīng)過60dB放大，輸出電壓峰值則可達(dá)到10V，即有效值為7. OiV _ 6V，滿足
技術(shù)指標(biāo)(I )。此外，由上述討論可知前置放大與中級(jí)放大均選用增益帶寬積為200MHz、帶寬400MHz的寬帶直流電壓反饋型放大器0PA842，則對(duì)應(yīng)于增益為10的帶寬X1 = X3 = 20MHz ；
程控放大級(jí)的VCA810的可控增益帶寬為25MHz，即/,2 = 25MHz ;末級(jí)電流反饋型放大器
THS3091在增益G=2時(shí)對(duì)應(yīng)的帶寬為210MHz，則其對(duì)應(yīng)G=5時(shí)的帶寬X4 = 84MHz，將上述值
代入式
權(quán)利要求
1.一種(TlOMHz程控寬帶放大器，其特征在于采用多級(jí)級(jí)聯(lián)的方式，整條多級(jí)放大鏈路由前級(jí)、中級(jí)、程控放大電路、D/A轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、反相器、末級(jí)功率放大電路、二極管峰值檢波電路組成，其中，程控放大電路放置在前級(jí)與中級(jí)放大電路之間；二極管峰值檢波電路連接于中級(jí)放大電路之后；單片機(jī)連接于二極管峰值檢波電路與D/A轉(zhuǎn)換器之間；反相器連接于D/A轉(zhuǎn)換器與程控放大電路之間；單片機(jī)通過內(nèi)部A/D采樣峰值檢波電路的峰值，并與預(yù)置的峰值作比較，不斷地改變控制電壓 的值，最終使得輸出值與設(shè)定值一致；該程控寬帶放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)3dB通頻帶O IOMHz內(nèi)輸入電壓有效值Vi ≤20mV的小信號(hào)進(jìn)行60dB放大，通頻帶內(nèi)增益起伏≤3dB、最大輸出正弦信號(hào)有效值Vo≥6V且輸出信號(hào)波形無(wú)明顯失真；輸入電阻≥50 Ω ;負(fù)載電阻50±2 Ω。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的O IOMHz程控寬帶放大器，其特征在于前置與中級(jí)放大電路采用寬帶電壓反饋型放大器0PA842，且其增益G=IO。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的O IOMHz程控寬帶放大器，其特征在于程控放大電路采用單級(jí)集成壓控增益放大器VCA810。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的O IOMHz程控寬帶放大器，其特征在于未級(jí)功率放大電路采用多片電流反饋型運(yùn)算放大器THS3091并聯(lián)，以驅(qū)動(dòng)50 Ω負(fù)載。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的O IOMHz程控寬帶放大器，其特征在于電壓增益AV可預(yù)置并顯示，預(yù)置范圍為O 60dB,步距為2dB ,或步距連續(xù)調(diào)節(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的O IOMHz程控寬帶放大器，其特征在于二極管峰值檢波電路中，由一三極管并聯(lián)在充電電容兩旁，通過控制加在三極管基極上的電平高低來高效地完成電容的實(shí)時(shí)放電工作。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的O IOMHz程控寬帶放大器，其特征在于緊跟D/A之后的反相器電路采用超前滯后補(bǔ)償以消除自激振蕩的影響。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的O IOMHz程控寬帶放大器，其特征在于程控寬帶放大器采用PCB實(shí)現(xiàn)，使數(shù)字地與模擬地的充分隔離，以避免信號(hào)“回流”及串?dāng)_。
全文摘要
本發(fā)明屬于自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種0~10MHz程控寬帶放大器。該程控寬帶放大器采用多級(jí)級(jí)聯(lián)的方式，整條多級(jí)放大鏈路由前級(jí)、中級(jí)、程控放大電路、D/A轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、反相器、末級(jí)功率放大電路、二極管峰值檢波電路組成，其中，程控放大電路放置在前級(jí)與中級(jí)放大電路之間；二極管峰值檢波電路連接于中級(jí)放大電路之后；單片機(jī)連接于二極管峰值檢波電路與D/A轉(zhuǎn)換器之間，反相器連接于D/A轉(zhuǎn)換器與程控放大電路之間；本發(fā)明能夠?qū)闹绷餍盘?hào)到10MHz帶寬內(nèi)的交流小信號(hào)進(jìn)行0~60dB穩(wěn)定放大及增益可控調(diào)節(jié)，并且由末級(jí)功率放大實(shí)現(xiàn)對(duì)50Ω負(fù)載的驅(qū)動(dòng)，可廣泛適用于自動(dòng)控制儀表、醫(yī)療電子儀器、電子測(cè)量?jī)x器等。
文檔編號(hào)H03F3/45GK102882480SQ20121024193
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月13日
發(fā)明者葉凡, 黃佳森, 任俊彥, 李寧, 許俊, 李巍 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)