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。