一種寬帶直流放大裝置的製作方法

2023-05-01 13:33:31 1

專利名稱：一種寬帶直流放大裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於信號處理領域，特別涉及一種寬帶直流放大裝置。
背景技術：
在現代電子設備、通訊設備和科研生產中常需要利用放大電路將微弱信號進行提取、放大，只有將信號放大到一定程度才能滿足後級設備的要求，同時很多設備還要求具有一定輸出功率，才能驅動後級設備或使通信的發射端將信號有效傳輸到接收端。目前，對模擬信號的放大主要採用大功率三級管、大功率場效應管(M0S管)、或集成運算放大器。對於三極體和場效應管電路，雖然可以提供較大的輸出功率，但卻需要手動設置其靜態工作點， 且多級級聯起來調試複雜，通頻帶不穩定，可重現性較差；對於集成運算放大器，其無需自己設置靜態工作點且調試簡單，外圍電路搭建便捷，但是其輸出的功率較小。近年來，為了解決現有放大器存在的不足，一些集成晶片公司推出了一些功率運算放大器，功率運算放大器可以對帶直流的信號進行一定的放大，並可輸出較大的功率，調試較三極體、場效應管簡單，但卻存在以下不足易損壞、頻帶窄、信噪比不理想、耗能多，且隨著輸出功率的增大，輸出會有較大的直流偏置。也有人設計了寬帶放大系統，寬帶放大系統可實現大功率輸出，且設置增益簡便，但卻其不能對直流進行放大。
發明內容針對現有技術存在的問題，本實用新型提供了一種具有較高信噪比、較寬通頻帶、 較低能耗、能實現大功率輸出、能自動修正直流偏置的寬帶直流放大裝置。為解決上述技術問題，本實用新型採用如下的技術方案一種寬帶直流放大裝置，包括前級放大電路(1)、調零放大電路(2)、單刀雙擲開關(3)、雙通道數模轉換器G)、連續可調電位器(5)、控制及顯示系統(6)、橢圓濾波電路、後級程控放大電路(8)、末級功率放大電路(9)、負載接口電路(10)和電源模塊(11); 其中，前級放大電路(1)、調零放大電路(2)、橢圓濾波電路(7)、後級程控放大電路(8)、末級功率放大電路(9)、負載接口電路(10)依次級聯，連續可調電位器(5)、雙通道數模轉換器(4)通過單刀雙擲開關(3)與前級放大電路(1)連接，雙通道數模轉換器(4)還與調零放大電路(2)連接，控制及顯示系統(6)分別與調零放大器(2)、雙通道數模轉換器(4)、橢圓濾波電路(7)、後級程控放大電路(8)相連，電源模塊(11)分別給前級放大電路(1)、調零放大電路(2)、單刀雙擲開關(3)、雙通道數模轉換器G)、連續可調電位器(5)、控制及顯示系統(6)、橢圓濾波電路(7)、後級程控放大電路(8)、末級功率放大電路(9)、負載接口電路 (10)提供電壓。上述前級放大電路(1)為可變增益運算放大器AD603。上述調零放大電路(2)由電壓反饋型運算放大器構成。上述雙通道數模轉換器(4)為TLV5638型號數模轉換器。上述控制及顯示系統(6)由MSP430F449型號單片機、顯示器和鍵盤構成，其中，顯
3示器和鍵盤均與MSP430F449型號單片機連接。上述橢圓濾波電路(7)包括(Γ5ΜΗζ的低通橢圓濾波器、(TlOMHz的低通橢圓濾波器及繼電器。上述後級程控放大電路(8)由集成運算放大器0PA699構成。上述末級功率放大電路(9)由兩個運算放大器THS3091並聯構成。上述電源模塊(11)包括電源變壓器、橋式全波整流電路、用來濾除電源紋波的電容、低壓差穩壓器件穩壓電路。與現有技術相比，本實用新型有以下的優點和有益效果1、本裝置結構簡單，使用方便，不易損壞，具有較高的信噪比、較寬的通頻帶和較低的能耗；2、使用本裝置的使用者可根據需求設定工作增益、通頻帶，以實現對信號的高效放大；3、本裝置能自動修正直流偏置，降低了信號放大的誤差；4、本裝置能實現信號的大功率輸出。

[0020]圖1是本實用新型的電路框架圖；[0021]圖2是實施例中前級放大電路、單刀雙擲開關、連接可調電位器的電路原理圖[0022]圖3是實施例中調零放大電路的電路原理圖；[0023]圖4是實施例中(TlOMHz低通橢圓濾波電路的電路原理圖；[0024]圖5是實施例中(Γ5ΜΗζ低通橢圓濾波電路的電路原理圖；[0025]圖6是實施例中後級程控放大電路的電路原理圖；[0026]圖7是實施例中末級功率放大電路的電路原理圖；[0027]圖8是實施例中電源模塊的電路原理圖；[0028]圖9是AD603的最大增益與其5、7引腳間外接電阻的關係。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。圖1所示為本實用新型的電路框架圖，本實用新型的寬帶直流放大器包括前級放大電路(1)、調零放大電路(2)、單刀雙擲開關(3)、雙通道數模轉換器0)、連續可調電位器(5)、控制及顯示系統(6)、橢圓濾波電路(7)、後級程控放大電路(8)、末級功率放大電路 (9)、負載接口電路(10)和電源模塊(11);其中，前級放大電路(1)、調零放大電路(2)、橢圓濾波電路(7)、後級程控放大電路(8)、末級功率放大電路(9)、負載接口電路(10)依次級聯 ，連續可調電位器(5)、雙通道數模轉換器(4)通過單刀雙擲開關(3)與前級放大電路(1) 連接，雙通道數模轉換器(4)還與調零放大電路(2)連接，控制及顯示系統(6)分別與調零放大器(2 )、雙通道數模轉換器(4 )、橢圓濾波電路(7 )、後級程控放大電路(8 )相連，電源模塊(11)分別給前級放大電路(1)、調零放大電路(2)、單刀雙擲開關(3)、雙通道數模轉換器 G)、連續可調電位器(5)、控制及顯示系統(6)、橢圓濾波電路(7)、後級程控放大電路(8)、 末級功率放大電路(9)、負載接口電路(10)提供電壓。[0031]控制及顯示系統(6)是本裝置的核心控制中心，其包括鍵盤、顯示器和單片機，其中，單片機對系統進行控制；鍵盤和顯示器是人機接口界面，用戶可通過鍵盤設定系統參數，即系統增益、帶通範圍、增益設置模式等，並將設定好的參數在顯示屏上顯示出來。本實施例中的顯示器為IXD顯示器，單片機為低功耗的MSP430F449型號單片機。前級放大電路(1)能對輸入信號進行前級放大，本實施例中的前級放大電路(1)採用低噪聲、精密控制的可變增益運算放大器AD603作為增益控制核心器件， 並在其差分輸入端(2、3引腳)設置繼電器以輔助調零放大電路(2)調零，具體電路見附圖2所示。AD603溫度穩定性高，其增益與控制電壓成線性關係，AD603的增益
β可表示為e=40xFe+ff0 ,增益單位為dB，其中，珥為40603的基本增益，餌的大小由 AD603的5、7引腳間的反饋電阻大小決定；&為AD603的引腳1、2間的電壓差，引腳2接固
定電壓，引腳1電壓是可調的，前級放大電路(1)增益可通過調節引腳1電壓來控制。前級放大電路(1)增益的調節可由用戶通過控制及顯示系統(6)的鍵盤輸入要求的增益大小， 控制及顯示系統(6)會根據用戶輸入、並通過雙通道數模轉換器(4)自動引腳1電壓；也可通過連續可調電位器(5)進行手動調節，手動調節能實現增益的連續調節。對AD603而言，
若引腳5、7間接ΙΩ的反饋電阻~ ,則通過附圖9可推算出AD603的基本增益輯約為
21. 58dB ；通過調節引腳2的電壓可使引腳1、2間電壓差&在_500mV +500mV範圍內變化， 則AD603的程控調節範圍為-20dB +20dB，則前級放大電路(1)增益在1. 58dB 41. 58dB範
圍內可調。調零放大電路(2)能實現調零和放大的功能，其中，調零是指對前級放大電路(1) 輸出的直流偏置電壓進行校正，放大是指對輸入信號進行固定放大。本實施例中，調零放大電路(2)採用電壓反饋型運算放大器0PA690構成的加法電路，0PA690性能優良，其擺率為 ISOOV/us，單位增益帶寬積為500MHz。上述加法電路由三路構成，一路接前級放大電路(1) 的輸出，開機後，本裝置會自動調零，控制及顯示電路(6)控制可變增益運算放大器AD603 的2、3腳間的繼電器閉合使得2、3引腳間短接，然後控制及顯示系統(6)通過雙通道數模轉換器⑷輸出調節電壓加在0PA690輸入端，從而實現對前級放大電路(1)的輸出調零， 調零功能的實現是利用控制及顯示系統(6)中的MSP430F449單片機內部的模數轉換器，這樣可以降低系統成本；一路接-5V的固定電壓；一路接雙通道數模轉換器(4)輸出的電壓。單刀雙擲開關(3)是用來選擇前級放大電路(1)增益的設置模式數控模式和手動調節模式。單刀雙擲開關(3)與雙通道數模轉換器(4)接通時，此時前級放大電路(1)增益的設置模式為數控模式，在該模式下，控制及顯示系統(6)的單片機根據預先設置、通過雙通道數模轉換器(4)自動設置前級放大電路(1)增益，但增益控制不能達到連續調節；單刀雙擲開關(3)與連續可調電位器(5)接通時，此時前級放大電路(1)增益的設置模式為手動調節模式，該模式下用戶可通過調節連續可調電位器( 來設置前級放大電路(1)增益， 增益的控制可連續調節。雙通道數模轉換器(4)可同時輸出兩路信號，一路信號用來控制調零放大電路 (2 )對前級放大電路(1)進行調零，另一路信號用來控制前級放大電路(1)的增益。本實施例中雙通道數模轉換器(4)為TLV5638型號數模轉換器。雙通道數模轉換器(4)的具體電路見附圖3。[0036]橢圓濾波電路(7 )可對進入的信號進行二次諧波過濾和頻帶控制，本實施例中，橢圓濾波電路(7)由(Γ5ΜΗζ的低通橢圓濾波器、(TlOMHz的低通橢圓濾波器及繼電器組成，繼電器用來切換信號的通頻帶，用戶可根據需要選擇通頻帶為0飛MHz或(TlOMHz。上述橢圓濾波器的頻段除了採用上述(Γ5ΜΗΖ、(Γ10ΜΗΖ頻段外，也可以用其他頻段的橢圓濾波器代替。橢圓濾波電路(7)的具體電路原理見附圖4、5所示。後級程控放大電路(8)是對輸入信號進行後級放大，其包括兩部分，第一部分由運算放大器及繼電器組成，構成增益為1和10兩檔，由繼電器完成兩檔之間的切換；第二部分由電阻衰減網絡和繼電器組成，構成衰減為0. 1倍和0. 01倍的兩衰減檔，同樣也是由繼電器完成兩檔之間的切換。本實施例中的後級程控放大電路(8)採用集成運算放大器0ΡΑ699 來實現，具體電路見附圖6。末級功率放大電路(9)能對輸入信號進行固定增益放大和功率放大，本實施例中末級功率放大電路(9)採用兩個電流反饋型運算放大器THS3091並聯構成，能對輸入信號 5倍固定放大，THS3091擺率高達7300V/US的，本系統中採用士 18V供電，最大輸出電流為 250mA,採用兩個THS3091並聯，可以為系統提供高達0. 5A的輸出電流。電源模塊(11)可將市電變換為適合系統工作的電壓，其核心部分包括電源變壓器、橋式全波整流電路、用來濾除電源紋波的電容、低壓差穩壓器件穩壓電路，其中，電源變壓器由一個初級線圈和三個次級線圈構成，為低壓差穩壓器件穩壓電路中的低壓差穩壓器件LT1963和LTl 175提供三個獨立轉換電壓，LT1963、LT1175均為可變輸出的穩壓晶片， LT1963輸出正電壓，LT1175輸出負電壓，通過調節每一穩壓晶片外圍的兩個取樣電阻值的比例，靈活得到士 18V、士 15V和士5V輸出，低壓差穩壓器件的使用提高了直流穩壓電源的效率。電路請見附圖8。上述實施例中，前級放大電路(1)、調零放大電路(2)、後級程控放大電路(8)和末級功率放大電路(9)的共同作用使得系統最大增益達到90dB。採用上述實施例，可精確設置放大器的增益，並可根據需要選擇0-5ΜΗζ、0-10ΜΗζ兩種通頻帶，系統增益在0_90dB範圍內連續可調，數字控制步進為0. IdB,輸出信號未帶直流時峰值可達28V,輸出電流可達 0. 50A。 開啟電源模塊(11)，裝置啟動，控制及顯示系統(6 )開始對前級放大電路(1)的輸出採樣，根據採樣結果，控制及顯示系統(6 )通過調零放大電路(2 )對前級放大電路(1)的直流偏置進行校正；校正完成後，用戶根據需要通過控制及顯示系統(6)的鍵盤設定系統增益、通頻帶、前級放大電路(1)增益設置模式；設定完成後，接入信號，信號通過前級放大電路(1)和調零放大電路(2)分別進行前級放大和固定放大，放大後的信號通過橢圓濾波電路(7)進行二次諧波過濾和頻帶控制，輸出的信號通過後級程控放大電路(8)進行後級放大、通過末級功率放大電路(9)進行固定放大和功率放大，將最後所得的信號由負載接口電路(10)輸出。
權利要求1.一種寬帶直流放大裝置，其特徵在於，包括前級放大電路(1)、調零放大電路(2)、單刀雙擲開關(3)、雙通道數模轉換器0)、 連續可調電位器(5)、控制及顯示系統(6)、橢圓濾波電路(7)、後級程控放大電路(8)、末級功率放大電路(9)、負載接口電路(10)和電源模塊(11); 其中，前級放大電路(1)、調零放大電路(2)、橢圓濾波電路(7)、後級程控放大電路(8)、末級功率放大電路(9)、負載接口電路(10)依次級聯，連續可調電位器(5)、雙通道數模轉換器 (4)通過單刀雙擲開關(3)與前級放大電路(1)連接，雙通道數模轉換器(4)還與調零放大電路(2)連接，控制及顯示系統(6)分別與調零放大器(2)、雙通道數模轉換器(4)、橢圓濾波電路(7)、後級程控放大電路(8)相連，電源模塊(11)分別給前級放大電路(1)、調零放大電路(2)、單刀雙擲開關(3)、雙通道數模轉換器G)、連續可調電位器(5)、控制及顯示系統 (6)、橢圓濾波電路(7)、後級程控放大電路(8)、末級功率放大電路(9)、負載接口電路(10) 提供電壓。
2.根據權利要1所述的寬帶直流放大裝置，其特徵在於 所述前級放大電路(1)為可變增益運算放大器AD603。
3.根據權利要1或2所述的寬帶直流放大裝置，其特徵在於 所述調零放大電路(2)由電壓反饋型運算放大器構成。
4.根據權利要1所述的寬帶直流放大裝置，其特徵在於 所述雙通道數模轉換器(4)為TLV5638型號數模轉換器。
5.根據權利要1所述的寬帶直流放大裝置，其特徵在於所述控制及顯示系統(6)由MSP430F449型號單片機、顯示器和鍵盤構成，其中，顯示器和鍵盤均與MSP430F449型號單片機連接。
6.根據權利要1所述的寬帶直流放大裝置，其特徵在於所述橢圓濾波電路(7)包括(Γ5ΜΗζ的低通橢圓濾波器、(TlOMHz的低通橢圓濾波器及繼電器。
7.根據權利要1所述的寬帶直流放大裝置，其特徵在於所述後級程控放大電路(8)由集成運算放大器0PA699構成。
8.根據權利要1所述的寬帶直流放大裝置，其特徵在於所述末級功率放大電路(9)由兩個運算放大器THS3091並聯構成。
9.根據權利要1所述的寬帶直流放大裝置，其特徵在於所述電源模塊(11)包括電源變壓器、橋式全波整流電路、用來濾除電源紋波的電容、低壓差穩壓器件穩壓電路。
專利摘要本實用新型公開了一種寬帶直流放大裝置，包括前級放大電路、調零放大電路、單刀雙擲開關、雙通道數模轉換器、連續可調電位器、控制及顯示系統、橢圓濾波電路、後級程控放大電路、末級功率放大電路、負載接口電路和電源模塊，其中，前級放大電路、調零放大電路、橢圓濾波電路、後級程控放大電路、末級功率放大電路、負載接口電路依次級聯，連續可調電位器、雙通道數模轉換器通過單刀雙擲開關與前級放大電路連接，雙通道數模轉換器還與調零放大電路連接，控制及顯示系統分別與調零放大器、雙通道數模轉換器、橢圓濾波電路、後級程控放大電路相連，電源模塊給整個裝置供電。本裝置信噪比較高，耗能低，能實現信號的大功率輸出，且有較寬的通頻帶。
文檔編號H03F3/68GK202043080SQ20112008491
公開日2011年11月16日 申請日期2011年3月28日 優先權日2011年3月28日
發明者吳曉潭, 張雪濱, 陳小橋, 黃恩民 申請人:武漢大學