程控增益低噪聲寬帶直流放大器的設(shè)計(jì)
摘要:介紹了程控增益低噪聲寬帶直流放大器的設(shè)計(jì)原理及流程。采用低噪聲增益可程控集成運(yùn)算放大器AD603和高頻三極管2N2219和2N2905等器件設(shè)計(jì)了程控增益低噪聲寬帶直流放大器,實(shí)現(xiàn)了輸入電壓有效值小于10 mV,輸出信號(hào)有效值最大可達(dá)10 V,通頻帶為0~8 MHz,增益可在0~50 dB之間5 dB的步進(jìn)進(jìn)行控制,最高增益達(dá)到53 dB,且寬帶內(nèi)增益起伏遠(yuǎn)小于1 dB的兩級(jí)寬帶直流低噪聲放大器的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞:低噪聲;程控增益;功率放大;寬帶直流放大器
0 引言
低噪聲寬帶直流放大器位于接收機(jī)前端,放大微弱信號(hào)是其主要作用,對(duì)于降低噪聲干擾,提高整個(gè)接收機(jī)的性能起著至關(guān)重要的作用。因此,低噪聲寬帶直流放大器一直是雷達(dá)、通信和電子對(duì)抗等電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件,有著廣泛的軍用和民用價(jià)值。本文介紹的寬帶直流低噪聲放大器,通頻帶為0~8 MHz,增益可在0~50 dB之間以5 dB的步進(jìn)進(jìn)行控制,最高增益達(dá)到53 dB,且寬帶內(nèi)增益起伏遠(yuǎn)小于1 dB。
1 總體設(shè)計(jì)方案
該設(shè)計(jì)主要包含輸入緩沖級(jí)、可控增益放大模塊、功率放大輸出模塊以及單片機(jī)控制模塊??煽卦鲆娣糯笃髫?fù)責(zé)信號(hào)放大并與單片機(jī)電路配合實(shí)現(xiàn)了增益控制。后級(jí)功率輸出模塊進(jìn)一步進(jìn)行功率放大,得到較高的輸出電壓范圍。整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2 單元電路設(shè)計(jì)
2.1 輸入緩沖級(jí)
輸入電壓有效值小于10 mV,當(dāng)輸入小信號(hào)時(shí)AD603的放大性能很差,所以在輸入端采用AD4031構(gòu)成輸入緩沖級(jí),對(duì)小信號(hào)輸入信號(hào)進(jìn)行一定放大,同時(shí)對(duì)后續(xù)的AGC調(diào)零。
2.2 可控增益放大器
單級(jí)AD603的電壓增益可按以下公式計(jì)算:
Gain(dB)=40VG+10
式中VG為差分輸入電壓。
可見,AD603的增益與其控制電壓成線性關(guān)系,也就是說(shuō),只要用單片機(jī)控制D/A輸出線性變化的控制電壓,便可得到線性變化的電壓增益輸出。假設(shè)鍵盤輸入預(yù)置電壓增益GF,則D/A輸出電壓的理論值應(yīng)為:
VG=(GF-10)/40。又由于D/A的輸出電壓VOUT=DIN/212VREF,可算出DIN的理論值DIN=VOUT/VREF×212。因此,只要利用單片機(jī)向D/A送12位的DIN,在D/A的輸出端便可得到所需的控制電壓VG,從而控制AD603產(chǎn)生GF大小的電壓增益。
由于單級(jí)AD603只能實(shí)現(xiàn)31.07 dB增益,要設(shè)計(jì)出電壓增益大于等于50 dB,所以必須采用2片AD603級(jí)聯(lián)。AD603有兩種方式增益連接方式:順序級(jí)聯(lián)和并聯(lián)級(jí)聯(lián)。為了控制精度、提高性噪比,該設(shè)計(jì)采用順序級(jí)聯(lián)方式。
當(dāng)高頻信號(hào)通過(guò)兩級(jí)級(jí)聯(lián)的放大器時(shí)很容易產(chǎn)生自激,從而限制了系統(tǒng)的寬帶增益積。為此,采用了多種方法來(lái)抑制自激,最終使系統(tǒng)的寬帶增益積達(dá)到400MdB。
由于輸入的信號(hào)包含直流分量,其電路圖如圖2所示。其中,5 V電壓經(jīng)過(guò)R1,R2,R3分壓,分別為兩級(jí)AD603提供0.5 V和1.5 V的控制電壓差,從而使電壓增益值從0 dB開始調(diào)節(jié)。控制電壓Vcontrol是由D/A產(chǎn)生的直流電壓,所以在其輸入端就近對(duì)地接一直流旁路電容。圖2中的C1即直流旁路電容,起著減小輸入的高頻噪聲干擾的作用。C3,C4為去耦電容,濾除高頻信號(hào)噪聲和反饋引起的耦合作用。
2.3 功率放大
AD603的輸出電壓只有2 V,而輸出電壓有效值高達(dá)10 V,故需要進(jìn)行功率放大。由于輸入信號(hào)的頻帶比較寬,功率也較高,所以采用寬帶功率放大三極管2N2219和2N2905。功放電路由兩級(jí)功率放大組成,第一級(jí)將輸入信號(hào)分成直流信號(hào)和高頻信號(hào),對(duì)兩路分別進(jìn)行電壓放大,整個(gè)功放電路的電壓增益主要集中在這一級(jí)上;第二級(jí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行電壓合成和電流放大,提高負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。另外,功放電路還采用負(fù)反饋以提高帶寬。功放電路原理圖如圖3所示。
2.4 增益控制模塊
控制部分主要由單片機(jī)和D/A組成。該設(shè)計(jì)采用ST89S51和12位的D/A TLV5616,單片機(jī)首先接收鍵盤的預(yù)置增益值,一方面送給LCD顯示;另一方面通過(guò)一定的運(yùn)算后輸入12位D/A,產(chǎn)生控制電壓控制AD603自動(dòng)調(diào)節(jié)增益值,輸出所需的信號(hào)。它的框圖如圖4所示。
2.5 程序控制模塊
該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制核心采用STC89F52單片機(jī),內(nèi)部資源豐富。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和外圍控制,分別對(duì)單片機(jī)和液晶初始化,并根據(jù)預(yù)置增益值進(jìn)行一定的運(yùn)算,驅(qū)動(dòng)D/A產(chǎn)生所需的控制電壓。程序控制流程如圖5所示。
3 改善放大器性能的措施
3.1 增益起伏控制
由于AGC對(duì)不同頻率輸入信號(hào)的增益不完全相同,所以會(huì)造成增益譜不平坦,即有增益起伏。該設(shè)計(jì)選用的AD603其內(nèi)部含有負(fù)反饋,可以較好地控制增益起伏。另外,在放大器的輸出端對(duì)地接耦合小電容47 pF和2μH電感等措施進(jìn)行補(bǔ)償,從而將增益起伏控制在1 dB以下。
3.2 線性相位
由于系統(tǒng)對(duì)不同頻率的信號(hào)響應(yīng)產(chǎn)生的延時(shí)有可能不同,所以會(huì)產(chǎn)生相移(落后或超前)。要使所有頻率的輸入具有相同的相位,則需設(shè)計(jì)線性相位濾波器,通常采用FIR濾波器,也可以采用模擬的方法。該設(shè)計(jì)采用電壓并聯(lián)負(fù)反饋,較好地抑制了相位漂移。
3.3 抑制直流零點(diǎn)漂移
零點(diǎn)漂移是指輸入為零時(shí)輸出端仍有緩慢變換的輸出電壓的現(xiàn)象,實(shí)際中常采用補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)抑制零點(diǎn)漂移。多級(jí)級(jí)聯(lián)時(shí),為防止溫漂逐級(jí)遞增,必須采用阻容耦合或變壓器耦合。在此設(shè)計(jì)中,在放大器之前設(shè)計(jì)了一個(gè)輸入緩沖級(jí),采用低溫漂的運(yùn)算放大器TL4031,對(duì)輸入的小信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?,使輸入信?hào)遠(yuǎn)大于溫漂,這樣溫漂的影響便可忽略。同時(shí),在功率放大器輸入端設(shè)置了調(diào)零功能。
3.4 放大器的穩(wěn)定性
由于晶體管有反向傳輸導(dǎo)納存在,會(huì)產(chǎn)生自激,影響放大器的穩(wěn)定性。為了提高運(yùn)放的穩(wěn)定性,可以從電路上設(shè)法消除晶體管的反向作用,采用失配法使其單向化。由于高頻信號(hào)通過(guò)兩級(jí)級(jí)聯(lián)的AD603很容易產(chǎn)生自激,因此采取了2種抑制自激的方法:
(1)在可控增益放大器的控制端加電感以及在其輸出端加濾波電路來(lái)濾除高頻噪聲;
(2)在功率放大器的反饋端加一小電容以防止輸出的高頻大信號(hào)耦合到輸入端;
4 結(jié)語(yǔ)
該系統(tǒng)基于低噪聲增益可程控集成運(yùn)算放大器AD603和高頻三極管2N2219和2N2905等器件設(shè)計(jì)的寬帶直流放大器具有低噪聲、高增益、增益可程控(從0~53 dB)、輸出電壓幅度在50 Ω負(fù)載上最大可達(dá)10 V、帶寬最大為8 MHz、帶寬可選擇等眾多優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中證明該放大器在自動(dòng)化要求較高的系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用。