一種增益可控寬帶放大器的設(shè)計(jì)

周永強(qiáng)

摘 要：增益可控寬帶放大器是一種改變電路某參數(shù)對(duì)信號(hào)增益進(jìn)行調(diào)節(jié)的放大器，是音響、無線通信等系統(tǒng)不可缺少的部分。該文介紹了一種增益可控寬帶放大器的設(shè)計(jì)，OPA820對(duì)輸入信號(hào)固定放大60 dB的增益，增益步進(jìn)控制由DAC0832完成，最后選用NE5532放大信號(hào)的功率。

關(guān)鍵詞：增益可控 寬帶放大器 OPA820 DAC0832 NE5532

中圖分類號(hào)：TN948 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）03（a）-0106-02

增益可控寬帶放大器是一種改變電路某一參量對(duì)信號(hào)增益進(jìn)行調(diào)節(jié)的放大器，是音響、無線通信等系統(tǒng)中必不可少的部分。為了擴(kuò)展帶寬，除了使其增益較低以外，通常還需要采用高頻和低頻補(bǔ)償措施，以使放大器的增益-頻率特性曲線的平坦部分向兩端延展。寬帶放大器在光纖通信、電子設(shè)備及微波儀表等方面的應(yīng)用越來越廣泛，這些系統(tǒng)一般要求放大器具有增益可調(diào)、寬頻帶、低噪聲、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由增益放大、增益控制、功率放大、濾波器和控制器等幾個(gè)部分組成。增益放大器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行固定增益放大，增益控制電路完成增益步進(jìn)控制，功率放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大，提高其帶負(fù)載的能力，處理器完成信息輸入的處理并顯示當(dāng)前的控制增益。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 單元電路的設(shè)計(jì)

2.1 增益放大器

系統(tǒng)最大輸出信號(hào)要達(dá)到60 dB的增益放大能力，所以增益放大器選用兩級(jí)放大電路比較容易實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算放大器引入深度負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電壓放大倍數(shù)，兩級(jí)放大電路都選用同相比例運(yùn)算電路，使輸出信號(hào)不用接反相器即可使用。放大器使用固定電壓增益放大，可以保證在整個(gè)通帶內(nèi)增益不變，穩(wěn)定性好，也必將容易實(shí)現(xiàn)，增益放大電路如圖2所示。在考慮各級(jí)放大電路電壓增益分配時(shí)，第一級(jí)實(shí)現(xiàn)20倍的放大，第二級(jí)實(shí)現(xiàn)50倍的放大，則兩級(jí)總放大倍數(shù)為1 000倍即60 dB的電壓增益。

同相比例運(yùn)算放大器的增益計(jì)算公式：Avf=1+（RF/R1）。A1的放大倍數(shù)設(shè)定為20倍，當(dāng)R2取值為10 k時(shí)，R3的取值應(yīng)為190 k；A2的放大倍數(shù)設(shè)定為50倍，當(dāng)R4取值為10 k時(shí)，R6的值應(yīng)為490 k。

運(yùn)算放大器選用高寬帶運(yùn)算放大器OPA820，它提供一種寬頻的、單位增益穩(wěn)定的、有一個(gè)很低的輸入噪聲電壓和使用一個(gè)低的5.6 mA供應(yīng)電流產(chǎn)生高輸出電流的電壓反饋放大器。在單位增益里，當(dāng)峰值<1 dB時(shí)，OPA820給出一個(gè)>800 MHz的帶寬。在低功耗情況下，OPA820補(bǔ)充這一高速操作裝置具有優(yōu)良的直流精度。最壞情況下的偏置電壓為±750 μV和偏置電流為±400 nA，它們給脈沖放大器應(yīng)用程序一個(gè)優(yōu)秀的絕對(duì)直流精度。最小輸入和輸出電壓擺幅的余量允許OPA820操作一個(gè)單一的+5 V電源以供給>2Vpp的輸出擺動(dòng)。雖然它不是一個(gè)滿擺幅（RR）輸出，但它會(huì)支持大多數(shù)的新興模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）輸入躋身于比典型的RR輸出放大器功耗和噪聲低的行列。

2.2 增益控制電路

設(shè)計(jì)中增益放大器固定為60 dB增益，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器的電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分壓后輸出，從而實(shí)現(xiàn)增益控制。D/A轉(zhuǎn)換器的電阻網(wǎng)絡(luò)可由單片機(jī)進(jìn)行控制，且精度非常高。該次設(shè)計(jì)使用DAC0832轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行增益控制，增益控制電路如圖3所示。

DAC0832是采樣頻率為8位的D/A轉(zhuǎn)換芯片，其轉(zhuǎn)換精度可達(dá)到1/256，集成電路內(nèi)有兩級(jí)輸入寄存器，使DAC0832芯片具備雙緩沖、單緩沖和直通3種輸入方式，以便適于各種電路的需要（如要求多路D/A異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等）。

DAC0832轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。為了獲得模擬電壓信號(hào)，需在外設(shè)置一個(gè)高輸入阻抗的線性運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)（圖3中的A3），運(yùn)放的反饋電阻直接連接到RFB端引用片內(nèi)固有電阻。

將增益放大電路的輸出電壓連接到DAC0832的VREF端，然后利用DAC0832內(nèi)部的T型電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)放大后的電壓進(jìn)行分壓衰減來控制增益。改變單片機(jī)P0口輸出的數(shù)據(jù)就可達(dá)到控制增益的目的。經(jīng)計(jì)算，0 dB、10 dB、20 dB、30 dB、40 dB、50 dB和60 dB與DI7、DI6、DI5、DI4、DI3、DI2、DI1、DI0對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

2.3 功率放大電路

進(jìn)行增益控制后，系統(tǒng)所帶負(fù)載能力下降，需對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，提高其帶負(fù)載的能力。功率放大器也采用兩級(jí)實(shí)現(xiàn)，功率放大電路如圖4所示。前級(jí)選用電壓跟隨器，一方面可以避免由于增益控制級(jí)的輸出阻抗較高，而負(fù)載阻抗較小時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)損耗，另一方面利用其輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn)將增益控制級(jí)和負(fù)載隔離開來，以消除它們之間的相互影響；后級(jí)進(jìn)行功率放大，R11選用50 Ω的電阻是為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

功率放大器選用NE5532，它是高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器（雙運(yùn)放）集成電路。與很多標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放相似，但它具有更好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動(dòng)能力及相當(dāng)高的小信號(hào)帶寬，電源電壓范圍大等特點(diǎn)。因此很適合應(yīng)用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設(shè)備、儀器、控制電路及電話通道放大器。

3 程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)主程序流程如圖5所示。首先對(duì)鍵盤進(jìn)行檢測(cè)，如果檢測(cè)到有鍵盤輸入數(shù)據(jù)就調(diào)用延遲程序，然后對(duì)輸入值與單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)比較，數(shù)據(jù)正確就將對(duì)應(yīng)的參數(shù)調(diào)出送入到DAC0832，從而實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)整。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)完成了增益放大、增益控制以及功率放大部分的設(shè)計(jì)。增益放大器選用OPA820完成固定電壓增益60 dB，增益控制是利用DAC0832內(nèi)部的T型電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)電壓分壓的方式實(shí)現(xiàn)，增益10 dB步進(jìn)控制，功率放大器對(duì)控制后的信號(hào)電壓進(jìn)行功率放大，提高其輸出功率，增強(qiáng)系統(tǒng)帶負(fù)載的能力。

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