一种微弱信号的宽带程控高增益放大器设计

摘要：本文设计并制作了0～15 MHz带宽的宽带放大器，放大器可放大不低于1 mV的有效值信号，增益0～80 dB预设或手动可调，最大输出电压峰峰值为42 V，在通频带范围内起伏增益1 dB左右，放大器在增益为60 dB的时候，输出噪声电压的峰叫峰值为200 mV，通过单片机控制可以实现电压增益和放大器的带宽可预置并显示的功能。整个系统工作可靠、稳定，而且成本低、效率高。
关键词：宽带放大器；高增益；可鳊程；单片机；VCA810

引言
在自动控制及自动测量系统中，需要把一些非电量(如温度、转速、压力)等参数通过传感器转变成电信号，这些微弱的电信号经放大后就可以推动测量、记录机构或控制执行机构，从而实现自动控制或自动测量。
本文设计的放大器具有低噪声、高增益的特点。整体设计要求放大器的最大电压增益为80 dB，输入电压有效值Vi≤10 mV。在Av=60 dB时，输出端噪声电压的峰-峰值VONPP≤0.3 V，3 dB通频带0～5／10 MHz可选。在通频带内增益起伏≤1 dB，负载电阻(50±2)Ω，最大输出电压正弦波有效值Vo≥10 V，输出信号波形无明显失真。

1 系统总体设计及理论分析
1．1 系统总体设计
本系统可分为4个模块，如图1所示。第1部分为输入缓冲和固定增益放大模块，运放搭建电压跟随器作为输入缓冲，同时提高输入阻抗，固定增益放大部分将输入的微弱信号放大到适合后级处理的电压范围；第2部分为分档滤波模块，设计有5 MHz、10 MHz两个低通滤波器，通过低噪声继电器切换，满足带宽可预设的要求；第3部分为可控增益放大模块，实现80 dB的动态增益变化；第4部分为功率放大模块，驱动50 Ω负载。

本系统的难点在动态增益和功率输出两个方面，下面对其进行理论分析。
1．2 动态增益的理论分析
设计指标要求增益动态范围为80 dB，将80 dB分配在固定增益放大、可控增益放大和功率放大3个模块。先确定可控增益放大模块的增益动态范围，就可以方便地分配另两个模块的增益。
由于VCA810的线性增益调节范围为-40～40 dB，如图2所示。但经实际电路测试当增益高于30 dB时，电路容易出现自激振荡，此处采用两级VCA810级联的方式实现-40～40 dB的动态范围。固定增益放大器增益设定为10 dB。以THS3001为核心的后级功放电路增益设定为30 dB。因此，该系统增益调节范围为0～80 dB。

1．3 运放扩压输出的理论分析
当系统负载电阻为(50±2)Ω时，最大输出电压Vo≥10 V，则由公式P=U2／RL，可得，系统输出功率的最大值为Pmax=102／(50-2)=2．08(W)。经前置放大和中放电路放大后，不具备驱动负载的能力，需经末级功率放大电路放大后才能达到系统对输出功率的要求。
考虑到除高压运放以外，一般运放的最大输出电压在供电电压为±15 V时仅有±12 V左右，不能满足输出10 V有效值的要求。此处采用浮动运放电源电压的方法将输出电压幅度扩展，利用互补对称功放电路将输出电流增大。