寬帶直流放大器的設計與實現

趙冬梅 宋陽 周波

摘? 要：為放大模擬視頻信號，利用STC12C5A60S2單片機為微控制器，以OPA699、THS3121為放大器的核心，設計實現增益可調的寬帶直流放大器。經過測試，該放大器能實現0～40dB范圍以5dB為步距的增益可調或連續(xù)可調，頻帶寬度為7.5MHz，能夠基本不失真地放大模擬視頻信號，具有較高的實用性。

關鍵詞：寬帶放大器;增益可調;單片機

中圖分類號：TN710? ? ? ? ?文獻標志碼：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中最基本的信號處理功能，它是通過放大電路實現的[1]。信號經過放大后，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，應設計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、手術治療、AI智能識別、遠程視頻會議等技術都無一例外地涉及視頻信號的處理，為增強信號的亮度、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，為實現不失真地放大，需要設計寬帶直流放大器。

1 總體方案設計

1.1 放大電路部分

放大電路部分的設計方案有兩種，一種是利用分立元件，一種是利用集成運算放大器。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，且受分立元件內部極間電容和分布電容的影響，寬頻帶的要求也難以實現。集成運算放大器性能穩(wěn)定、價格低，根據數據手冊可以在增益和帶寬之間找到較好的平衡，重點解決級間的調試以及外圍電路的去耦即可[2]。經過性能對比，選擇寬帶、高增益集成運放OPA699和THS3121的級聯構成放大電路部分。

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置并顯示，采用單片機作為微處理器，配上鍵盤、液晶顯示屏等外設模塊，利用三極管驅動繼電器的方式切換反饋電阻從而控制放大器的增益。這是一個模數混合的系統(tǒng)，要注意使用必要的抗干擾技術使數字信號對模擬放大部分的干擾達到最小。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)整體設計框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)各模塊電路的設計

3.1 單片機系統(tǒng)

單片機接收并判斷按鍵值，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數字程控，采用74LS154實現12路選擇，選通繼電器完成增益切換。使用三極管驅動繼電器陣列控制輸出電壓的優(yōu)點是電路噪聲小、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現增益切換，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，一路繼電器控制反饋電阻，另一路控制補償電容。

3.4 放大電路穩(wěn)定性設計

放大電路具有很高的靈敏度，容易受到元器件參數、環(huán)境溫度、電源電壓、負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，輸出端也會產生輸出信號，即產生自激振蕩。

解決辦法：改善電路版圖布局，使信號走線盡量不串擾;盡量減少信號傳輸中的電容效應;供電時在級間加入π型濾波網絡消除級間干擾;各級放大電路統(tǒng)一供電;在各集成運算放大器的電源管腳處接小電容進行濾波;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.在測試集成運算放大器負反饋電路的輸出信號時，由于測試電纜過長或測試不恰當也會產生自激。

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];在集成運放的輸出級增加電流輸出級;在集成運放的輸出端和負反饋電阻的一端加一小阻值電阻，同時集成運放的輸出端和負反饋電阻的另一端加一小電容，電容量由負反饋電阻和集成運放的輸出電阻以及輸出端的負載電容所確定[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，產生正負15V、正負5V的直流電壓，選擇LM317和LM337穩(wěn)壓芯片，電路如圖5所示。

4 測試方法與數據

將上述各部分電路連接起來，接上50Ω負載電阻進行整體測試。

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，將電壓放大倍數調到最高檔，測量最大不失真輸出電壓的峰峰值，計算電壓增益。

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

4.2 帶寬

將增益設置為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范圍內變化，測量輸出電壓的有效值，計算實際增益及增益誤差，測試數據如表3所示。

經計算，3dB通頻帶為7.5MHz，在0～5MHz頻帶范圍內輸出電壓有效值范圍為0.9～1.04V，在0～9MHz頻帶范圍內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

增益調到60dB，將輸入端短路時輸出電壓峰-峰值為280mV左右，能滿足實際的工程需求。

5 結束語

依據模擬視頻放大電路的需求，設計并制作了一個寬帶直流放大器。從指標來看，該放大器的電壓增益最大可達86dB，能在0～40dB范圍內手動連續(xù)調節(jié)，也可按5dB步進調節(jié);通頻帶為7.5MHz，在0～5MHz范圍內增益起伏小于1dB;噪聲低、功耗小、無明顯失真。

由于本設計偏重于模擬電路處理，在設計和制作電路過程中，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、模擬地和數字地的區(qū)分等方面都做了相應處理。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備，電磁噪聲較大;多級放大電路級聯的相互干擾也會造成測量誤差;還有儀器儀表本身的誤差，如當信號發(fā)生器產生幾毫伏信號時，信號質量很差。下一步將著手從增大通頻帶、減低成本、提高效率等方面進行研究，繼續(xù)改進電路。

參考文獻：

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

[2]何剛強，梁漢文，倪凱誠.程控寬帶直流放大器設計[J].廣東通信技術，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在工程應用中的隱患[J].電子質量，2018（5）：10-13.