寬帶直流放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙冬梅 宋陽 周波

摘? 要：為放大模擬視頻信號，利用STC12C5A60S2單片機(jī)為微控制器，以O(shè)PA699、THS3121為放大器的核心，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)的寬帶直流放大器。經(jīng)過測試，該放大器能實(shí)現(xiàn)0～40dB范圍以5dB為步距的增益可調(diào)或連續(xù)可調(diào)，頻帶寬度為7.5MHz，能夠基本不失真地放大模擬視頻信號，具有較高的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：寬帶放大器;增益可調(diào);單片機(jī)

中圖分類號：TN710? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）26-0076-04

Abstract： In order to amplify the analog video signal， the STC12C5A60S2 single chip microcomputer is used as the microcontroller， and the OPA699 and THS3121 are used as the core of the amplifier to design and realize a broadband DC amplifier with adjustable gain. After testing， the amplifier can achieve gain adjustment or continuous adjustment in the range of 0～40dB with 5dB steps， and the bandwidth is 7.5MHz. Therefore， it can amplify analog video signals without distortion， and has high practicality.

Keywords： broadband amplifier; adjustable gain; single chip microcomputer

引言

放大是模擬電子技術(shù)中最基本的信號處理功能，它是通過放大電路實(shí)現(xiàn)的[1]。信號經(jīng)過放大后，除了幅值增大外，還要保證波形不失真。由于絕大多數(shù)信號的頻率都不是單一的，比如音頻信號的頻率范圍為20Hz～20kHz，為保證信號的失真限定在允許的范圍內(nèi)，應(yīng)設(shè)計(jì)放大電路的帶寬和信號的帶寬相匹配，故音響系統(tǒng)放大電路的帶寬定在20Hz～20kHz。2020年初，新冠肺炎疫情爆發(fā)，病毒診斷、手術(shù)治療、AI智能識別、遠(yuǎn)程視頻會議等技術(shù)都無一例外地涉及視頻信號的處理，為增強(qiáng)信號的亮度、色度和同步信號，首要環(huán)節(jié)是放大，而模擬視頻信號的頻率范圍為0～4.5MHz，這個范圍既寬且包含直流，為實(shí)現(xiàn)不失真地放大，需要設(shè)計(jì)寬帶直流放大器。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 放大電路部分

放大電路部分的設(shè)計(jì)方案有兩種，一種是利用分立元件，一種是利用集成運(yùn)算放大器。分立元件的性能受外界環(huán)境影響較大，特別是溫度，故這種方案電路穩(wěn)定性差，且受分立元件內(nèi)部極間電容和分布電容的影響，寬頻帶的要求也難以實(shí)現(xiàn)。集成運(yùn)算放大器性能穩(wěn)定、價(jià)格低，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊可以在增益和帶寬之間找到較好的平衡，重點(diǎn)解決級間的調(diào)試以及外圍電路的去耦即可[2]。經(jīng)過性能對比，選擇寬帶、高增益集成運(yùn)放OPA699和THS3121的級聯(lián)構(gòu)成放大電路部分。

1.2 控制及顯示部分

為豐富放大器功能，增加控制及顯示部分。為使增益及帶寬可預(yù)置并顯示，采用單片機(jī)作為微處理器，配上鍵盤、液晶顯示屏等外設(shè)模塊，利用三極管驅(qū)動繼電器的方式切換反饋電阻從而控制放大器的增益。這是一個模數(shù)混合的系統(tǒng)，要注意使用必要的抗干擾技術(shù)使數(shù)字信號對模擬放大部分的干擾達(dá)到最小。這種方案電路比較簡單，使用方便、直觀，波形不失真，效果良好。

2 系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)各模塊電路的設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)接收并判斷按鍵值，控制增益和帶寬選擇，通過液晶顯示增益值和帶寬值。程序流程圖如圖2所示。

3.2 增益控制電路

增益控制的基本思路是由單片機(jī)數(shù)字程控，采用74LS154實(shí)現(xiàn)12路選擇，選通繼電器完成增益切換。使用三極管驅(qū)動繼電器陣列控制輸出電壓的優(yōu)點(diǎn)是電路噪聲小、精度高、穩(wěn)定性好。電路如圖3所示，其中K1～K12為12個雙路繼電器的線圈。

3.3 三級放大電路

OPA699是寬帶、高增益放大器，THS3121是低噪聲、高輸出驅(qū)動的電流反饋放大器。為了盡可能減小失真，采用OPA699作為中間級，THS3121作第一級和第三級。通過控制反饋電阻實(shí)現(xiàn)增益切換，電路如圖4所示。圖中K1～K12、K1'～K12'為雙路繼電器的兩路控制選擇端，與圖3中的K1～K12相對應(yīng)，一路繼電器控制反饋電阻，另一路控制補(bǔ)償電容。

3.4 放大電路穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

放大電路具有很高的靈敏度，容易受到元器件參數(shù)、環(huán)境溫度、電源電壓、負(fù)載大小等因素的影響而不穩(wěn)定，通過采取以下措施提高放大器的穩(wěn)定性。

（1）每一級放大電路都引入負(fù)反饋，可以提高閉環(huán)增益的穩(wěn)定性、減小非線性失真和抑制反饋環(huán)內(nèi)噪聲等。

（2）采取多種抗干擾措施避免自激和干擾。

a.輸入信號經(jīng)過多級放大，使輸出信號幅度變大，若由于版圖布局的原因，在某頻率點(diǎn)處使放大電路形成正反饋，即使輸入端不加輸入信號，輸出端也會產(chǎn)生輸出信號，即產(chǎn)生自激振蕩。

解決辦法：改善電路版圖布局，使信號走線盡量不串?dāng)_;盡量減少信號傳輸中的電容效應(yīng);供電時(shí)在級間加入π型濾波網(wǎng)絡(luò)消除級間干擾;各級放大電路統(tǒng)一供電;在各集成運(yùn)算放大器的電源管腳處接小電容進(jìn)行濾波;用地線把三級放大電路隔離開來;電源變壓器盡量遠(yuǎn)離放大電路;電路輸入端和增益控制部分裝在屏蔽盒中。

b.在測試集成運(yùn)算放大器負(fù)反饋電路的輸出信號時(shí)，由于測試電纜過長或測試不恰當(dāng)也會產(chǎn)生自激。

解決辦法：縮短測試電纜的長度，采用同軸電纜作為測試線纜[3];在集成運(yùn)放的輸出級增加電流輸出級;在集成運(yùn)放的輸出端和負(fù)反饋電阻的一端加一小阻值電阻，同時(shí)集成運(yùn)放的輸出端和負(fù)反饋電阻的另一端加一小電容，電容量由負(fù)反饋電阻和集成運(yùn)放的輸出電阻以及輸出端的負(fù)載電容所確定[4]。

3.5 直流穩(wěn)壓電源

在本系統(tǒng)中，供電電源的穩(wěn)定性決定著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，要求電源輸出穩(wěn)定，紋波小。

采用橋式整流、大電容濾波、三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓的方法，產(chǎn)生正負(fù)15V、正負(fù)5V的直流電壓，選擇LM317和LM337穩(wěn)壓芯片，電路如圖5所示。

4 測試方法與數(shù)據(jù)

將上述各部分電路連接起來，接上50Ω負(fù)載電阻進(jìn)行整體測試。

4.1 電壓增益Av

輸入端接入有效值分別為5mV、0.45mV，頻率為10kHz的正弦信號，將電壓放大倍數(shù)調(diào)到最高檔，測量最大不失真輸出電壓的峰峰值，計(jì)算電壓增益。

由表1的計(jì)算結(jié)果可知，輸入電壓有效值遠(yuǎn)小于10mV，電壓增益大于60dB，不失真的極限值可達(dá)到輸入信號有效值為0.45mV，放大增益高達(dá)86dB。表2說明增益可通過電位器在0～40dB范圍內(nèi)手動連續(xù)調(diào)節(jié)。

4.2 帶寬

將增益設(shè)置為40dB，輸入端先接入10mV的直流信號，再接入有效值為10mV的正弦信號，頻率在0.02kHz～12MHz范圍內(nèi)變化，測量輸出電壓的有效值，計(jì)算實(shí)際增益及增益誤差，測試數(shù)據(jù)如表3所示。

經(jīng)計(jì)算，3dB通頻帶為7.5MHz，在0～5MHz頻帶范圍內(nèi)輸出電壓有效值范圍為0.9～1.04V，在0～9MHz頻帶范圍內(nèi)輸出電壓有效值范圍為0.58～1.04V。若增益起伏為1dB，則輸出電壓有效值范圍為0.89～1.122V，故在0～5MHz頻帶內(nèi)滿足增益起伏小于1dB的要求，所以，這個放大器的帶寬與視頻信號帶寬匹配，能無失真地放大視頻信號。

4.3 輸出噪聲電壓

增益調(diào)到60dB，將輸入端短路時(shí)輸出電壓峰-峰值為280mV左右，能滿足實(shí)際的工程需求。

5 結(jié)束語

依據(jù)模擬視頻放大電路的需求，設(shè)計(jì)并制作了一個寬帶直流放大器。從指標(biāo)來看，該放大器的電壓增益最大可達(dá)86dB，能在0～40dB范圍內(nèi)手動連續(xù)調(diào)節(jié)，也可按5dB步進(jìn)調(diào)節(jié);通頻帶為7.5MHz，在0～5MHz范圍內(nèi)增益起伏小于1dB;噪聲低、功耗小、無明顯失真。

由于本設(shè)計(jì)偏重于模擬電路處理，在設(shè)計(jì)和制作電路過程中，特別注意采取多種抗干擾措施來避免自激和干擾，在電路排線布局、放大電路級間干擾、模擬地和數(shù)字地的區(qū)分等方面都做了相應(yīng)處理。此外，測量也存在一定誤差，誤差主要來源于電磁干擾，由于測試場地有較多電子儀器設(shè)備，電磁噪聲較大;多級放大電路級聯(lián)的相互干擾也會造成測量誤差;還有儀器儀表本身的誤差，如當(dāng)信號發(fā)生器產(chǎn)生幾毫伏信號時(shí)，信號質(zhì)量很差。下一步將著手從增大通頻帶、減低成本、提高效率等方面進(jìn)行研究，繼續(xù)改進(jìn)電路。

參考文獻(xiàn)：

[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分（第六版））[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2]何剛強(qiáng)，梁漢文，倪凱誠.程控寬帶直流放大器設(shè)計(jì)[J].廣東通信技術(shù)，2019（39）：67-70.

[3]黃明，徐德仁，李爭平.寬帶放大電路自激振蕩成因分析與抑制的研究[J].電測與儀表，2018，55（6）：122-125.

[4]盧炳.低噪聲放大器芯片HMC516在工程應(yīng)用中的隱患[J].電子質(zhì)量，2018（5）：10-13.