基于VCA822的可编程增益放大器

宽带放大器在工业测量与控制领域应用广泛。在测量与控制电路中，宽带放大器是调理传感器输出信号的重要环节。传感器输出的电平信号通常不是规则的正弦信号，且输出电压范围往往变化很大，这就需要后级放大器具有较高的频带宽度和灵活的电压增益，因此，这里提出一种以压控增益放大器VCA822为核心的可编程宽带放大器，可实现通频带为100 Hz～15 MHz，放大器增益为10～58 dB，6 dB步进可调。该设计可通过矩阵式键盘设置放大器增益，液晶显示器显示输出电压，人机界面友好。

1 放大器设计及工作原理
设计一个通过键盘设置增益，且具有AGC功能的宽带放大器。放大器输入端采用同相放大电路进行阻抗匹配，使输入电阻达到MΩ数量级。该系统设计分为宽带放大、峰值采样、人机交互等3个模块。
宽带放大模块中电压增益可预置的功能是由VCA822实现。VCA822一款直流耦合型宽频带压控增益放大器，最大工作频带宽度可达150 MHz。放大器增益由控制电压和外围电阻阻值共同决定。控制电压的输出是由单片机运算并控制D／A转换器而输出的，因而能够实现较精确的数控。另外，放大器后级接入两档信号处理电路，一档增益0 dB，另一档为衰减档，通过一个控制端口，实现信号在这两档位之间选择。这种方法的优点在于条理清晰，控制方便，易于单片机处理。
针对峰值采样，采用数字检波，即通过高速A／D转换器对输出的正弦信号进行采样，判断一定时间内采集到的数字信号的最大值，该最大值即为该信号的峰值。而这种通用数字峰值检波电路仅能在低频段效果良好，针对系统设计要求中的高频信号，以及某些特定频率信号，将产生一定误差。采用双频数字峰检对信号进行采样，这种方案可有效避免产生误差。
在上述两模块的基础上实现AGC的功能。峰值检波测得的电压值反馈回单片机，单片机对宽带放大电路实现放大精确控制。通过这种方式可将输出信号的峰值稳定在4．8 V左右。该系统总体实现框图如图l所示。

2 系统硬件电路设计
2．1 VCA822简介
该系统采用VCA822型宽带压控增益放大器。在控制电压的作用下，该器件可提供精确的增益，且按V／V线性变化，其基本增益。其中VC是控制电压输入。电压基本增益为(V／V)。利用单片机进行适当运算可控制以dB为单位的对数增益。给VCA822提供控制电压的D／A转换器为MAX541，其位数为16 bit，因而准确实现增益步进。鉴于VCA822优越的噪声特性和高精度的增益控制，因此选用该器件实现系统的可变增益。

2．2 系统增益分配
放大器其他部分固定增益为34 dB，由中间级OPA699和后级功放共同提供。在测试过程中，发现VCA822的控制电压范围为-1～l V，且该器件为±5 V供电，输出电压峰峰值不能大于4 V，否则输出波形失真。为了尽量提高输入电压的动态范围，实现放大器增益可调，将VCA822设计为放大器前级，且增益的控制在0～24 dB可选，输出信号接OPA699构成的同相放大。经单片机控制，与后级两个档位选择性级联。两档位的增益分别为0 dB、-24 dB。从而能够实现最小增益10 dB，最大增益58 dB的9级可调。
2．3 放大电路
前级输入利用MAX477设计射级跟随器，使得输入电阻趋近于无穷大，从而提高输入阻抗。与VCA822通过电容耦合，其控制电压由MAX54l输出。由于MAX541的转化范同为O～Vref，故在D／A转换器输出端增加一个减法器，输出范围为-l～+1 V，MAX54l的参考电压由MAX6225提供。VCA822后级接入OPA699，OPA699为高增益、高摆率宽带运放。其工作带宽可达到l 000 MHz，采用该器件设计增益G为12的放大器，完全满足带宽为15 MHz的要求。之后为通过电阻网络和模拟开关设计的两档衰减电路，一档衰减O dB，一档衰减24 dB，由模拟开关MAX333控制选通。最后利用电流型、高摆率的运算放大器AD8l1和分立元件设计的后级推挽功放实现功率放大，放大倍数G为+4，并增大负载能力。电路实现原理图如图3所示。