程控放大器設計的方法總結與分析*

江朝暉 李 想 陸元洲 單桂朋

（安徽農業大學 信息與計算機學院，安徽 合肥 230036）

程控放大器設計的方法總結與分析*

江朝暉 李 想 陸元洲 單桂朋

（安徽農業大學 信息與計算機學院，安徽 合肥 230036）

程控放大器廣泛應用于數據采集系統和自動化儀表。程控放大器設計是電子系統設計課程的重點和難點內容之一。文章歸納了五種程控放大器設計方案，比較了各自的特點，并分析了放大器設計中增益與帶寬關系。本研究有助于電子信息工程專業學生對相關課程內容的理解，提高在綜合實踐、畢業設計、電子設計競賽和應用開發中的創新能力。

程控放大器；設計方法；增益帶寬積；總結與分析

引言

放大電路是模擬信號采集的核心環節，基于集成運放的放大電路設計與應用是當前技術的主流。程控放大器可以通過單片機、嵌入式微處理器來控制其增益，常用于數據采集系統或自動化儀表中［1］。程控放大器設計綜合了模擬電路、微處理器、軟件編程等相關知識點，是電子系統設計課程的重點和難點內容之一［2］，對于電子信息工程專業學生進行綜合實踐、畢業設計、電子設計競賽和應用開發等非常重要［3］。因此文章根據教學實踐歸納、分析了多種程控放大器設計方法，期望有助于學生掌握相關課程內容，并應用在創新創業實踐中［4］。

一、程控放大器設計方案及比較

程控放大器采用微處理器進行增益控制，放大部分由集成運放及外圍元器件組成。其基本原理是由軟件調節反饋電阻RF的阻值，從而實現增益-RF/R的自動控制，如圖1所示。

圖1 放大器增益控制原理圖

由于實現反饋電阻調節的器件或方式多種多樣，因此程控放大器有多種設計方案。歸納起來，一般有三大類共五種設計方法，并具有各自的特點：采用專用程控放大器芯片；在通用型運放構成的放大電路基礎上，采用模擬多路選擇器或繼電器來選擇不同阻值的反饋電阻，或者采用數字電位器改變反饋電阻，從而實現增益控制；采用乘法型D/A轉換器和通用型運放來實現程控放大。

（一）采用專用程控放大器芯片的設計方法

將專用的可編程增益放大器如PGA202、PGA205、PGA113等與單片機、嵌入式微處理器結合，可構成高性能的程控放大電路。以PGA205為例，其方案原理如圖2所示。

圖2 采用專用程控放大器芯片的方案原理圖

PGA205是價格較低、用途廣泛的可編程增益放大器芯片，放大倍數分為四檔，分別為1、2、4和8倍，可以通過軟件編程改變微處理器相應端口的輸出邏輯電平，控制PGA205地址端A1、A0的不同組合，按照表1對其放大倍數進行數字選擇。

表1 PGA205的放大倍數與編程邏輯的關系

該方案的特點是集成度高，電路簡單，但是增益檔位有限且固定，一般是4檔或8檔可調。

（二）采用通用型運放+模擬多路選擇器的設計方法

在通用型運放構成的放大電路基礎上，用微處理器控制模擬多路選擇器（即多路開關）來選擇不同阻值的反饋電阻，從而實現增益的控制。以模擬多路開關MAX308為例，其方案原理如圖3所示。

圖3 采用通用型運放+模擬多路選擇器的方案原理圖

MAX308是8選1模擬多路開關，由地址線A2、A1和A0的不同電平組合來控制COM端與NO1至NO8端的連接，分別選通反饋電阻Rf1至Rf8，從而實現8檔增益調節。可根據檔位需要選用4選1等不同模擬多路開關，或者將多個模擬多路開關并聯使用，構成更多的檔位選擇。該方案的特點是原理簡單，集成度較高，但是增益檔位是有限的，更為關鍵的是模擬多路選擇器的導通電阻不為零、截止電阻不為無窮大，且是非線性，誤差較大，不宜用于精密放大。

（三）采用通用型運放+繼電器的設計方法

此方法與方法2類似，只是用電磁繼電器代替模擬多路選擇器，由微處理器控制繼電器的閉合與斷開，選通不同的反饋電阻。其原理示意圖如圖4所示。

圖4 采用通用型運放+繼電器的方案原理圖

由于電磁繼電器的導通和截止性能優異，采用精密電阻，該方案適合進行精密放大，在自動化儀器儀表中廣泛應用。不過體積稍大，增益檔位也是有限的。

（四）采用通用型運放+數字電位器的設計方法

數字電位器是通過開關控制電阻網絡接點的連接方式來改變電阻值的半導體器件，可直接與通用型運放組成程控增益放大器。以Xicor公司出品的X9C系列數字電位器X9C103為例，其方案原理如圖5所示。

圖5 采用通用型運放+數字電位器的方案原理圖

X9C103由計數器、非易失性存儲器、譯碼器、電阻網絡和控制電路組成，其最大阻值為10KΩ，分100檔調節。數字電位器的兩個端點VH和VL之間有一個由99個相同電阻串聯組成的電阻網絡，這些電阻每兩個之間的連接點上均有一個CMOS開關管作為開關，由譯碼器對計數器結果譯碼進行控制，開關管導通時就把電位器的中間抽頭VW端連接在該點上，從而獲得不同的阻值。數字電位器可通過微處理器的3根I/O引腳控制，U/D端控制計數方向，該引腳高電平時為加計數，低電平時為減計數；INC端為計數脈沖輸入，下降沿觸發計數；CS為片選信號輸入，低電平有效。當CS由低電平恢復為高電平，且INC處于高電平時，計數值被存入非易失性存儲器中，因此當電路掉電后再次上電時，數字電位器中仍保存著原有的控制數據，其中間抽頭到兩端點之間的電阻值仍是上一次的調整結果。

該方案的優點是原理簡單，集成度高，調節檔位多，缺點是精度不足，抗干擾性稍差。

（五）采用乘法型D/A轉換器和通用型運放的設計方法放大電路由數字可編程衰減器與固定增益放大器級聯組成，其原理如圖6所示。

圖6 采用乘法型D/A轉換器和通用型運放的方案原理圖

由n位乘法型D/A轉換器構成的數字可編程衰減器是該方案的核心。模擬信號從D/A轉換器的VREF端輸入，輸出電壓V01的表達式為：

其增益A1=-D/2n，只要由微處理器改變數字量D，就可以改變增益A1，步長為1/2n。該方案可近似獲得任意倍數的增益控制。

二、放大器的增益與帶寬分析

在程控放大器的設計中，還有一個非常重要的問題需要解決，那就是增益與帶寬的關系。一般來說輸入模擬信號較微弱，為了獲得伏級輸出，要求放大電路具有較大的增益；但是由于帶寬與增益成反比，為了使帶寬滿足設計要求，放大器的增益不宜太大。因此，為了同時滿足增益和帶寬的要求，不能采用單級放大結構，而要采用多級放大器級聯的模式。

圖7 同相放大器及其頻率特性

其中，ft為單位增益頻率，A0為開環增益，fb為開環-3dB頻率，AF為放大電路增益，fB為放大電路帶寬。

以一個實例來說明放大器增益與帶寬的分析及設計過程——用運算放大器LM741設計一個增益為60dB、帶寬≥20kHz的放大電路。

查閱LM741的數據手冊可知，其fb=5Hz，ft=1MHz。由201gx=60可得增益x=1000；如果采用單級放大，則由（2）式計算可知不能同時滿足增益與帶寬要求，即：

IMHZ=A×20kHz，得A=50＜x；或者IMHZ=1000×f，得f= 1KHz＜20KHz。

如果采用兩級放大級聯的方案，設前級增益為20、后級增益為50，則：

圖8 兩級放大級聯方案

三、結束語

程控放大器設計不僅是電子信息工程專業課“電子系統設計”中的重要內容，而且是電子工程師應用開發中的必備技術。由于涉及到多個知識點的綜合運用，程控放大器設計是相關教學和實踐中的難點。文章歸納、總結了三大類共五種程控放大器的設計方案，詳細介紹了各自的組成原理和優缺點，并通過實例闡述了放大器增益與帶寬的分析及設計過程。文章研究結果有助于電子信息工程專業學生對相關課程內容的理解和融會貫通，提高在綜合實踐、畢業設計、電子設計競賽和應用開發中的創新能力。

［1］賈立新，王涌，陳怡.電子系統設計與實踐（第3版）［M］.清華大學出版社，2014.

［2］江朝暉.電子系統設計教學的問題分析與方法探討［J］.教育教學論壇，2013，3：80-81.

［3］朱朝霞，詹雯，唐建祥，等.電子實習多層次開放式實踐教學體系的構建［J］.電氣電子教學學報，2016，38（2）：140-142.

［4］江朝暉.地方性農業高校電子信息類人才創新培養模式研究與實踐［J］.高教學刊，2015，20：34-35.

Program-controlled amplifier is widely used in data acquisition system and automatic instrument.The design of program-controlled amplifier is one of the key and difficult points in the course of electronic system design. In this paper，five kinds of design proposals were summarized，their features were compared and the relationship between gain and bandwidth of amplifier was analyzed.This research is helpful to the understanding of the relevant course content for students majored in electronic information engineering，and can improve the innovation ability in the comprehensive practice，graduation design，electronic design competition and application development.

program-controlled amplifier；design method；gain bandwidth product；summary and analysis

G642

A

2096-000X（2016）20-0062-03

安徽農業大學質量工程項目——卓越人才教育計劃之卓越工程師（編號：201537QT18）；安徽省科技攻關項目（編號：1501031102）。

江朝暉（1968-），男，博士，教授，主要從事電子系統設計教學與研究工作。