0～10MHz程控寬帶運算放大器的製作方法

2023-04-26 01:14:01

專利名稱：0～10MHz程控寬帶運算放大器的製作方法
技術領域：
本發明屬於自動控制技術領域，具體涉及一種程控寬帶運算放大器。
背景技術：
第一個使用真空管設計的放大器大約在1930年前後完成，這個放大器可以執行加與減的工作。運算放大器最早被設計出來的目的是將電壓類比成數字，用來進行加、減、乘、除的運算，同時也成為實現模擬計算機(analog computer)的基本建構方塊。然而,理想運算放大器的在電路系統設計上的用途卻遠超過加減乘除的計算。早期的運算放大器是使用真空管設計，現在則多半是集成電路式的元件，1960年代晚期,仙童半導體(FairchildSemiconductor)推出了第一個被廣泛使用的集成電路運算放大器，型號為μ Α709,設計者則是鮑伯·韋勒(Bob ffidlar)0但是709很快地被隨後而來的新產品μ Α741取代，741有著更好的性能，更為穩定，也更容易使用。741運算放大器成了微電子工業發展歷史上一個
獨一無二的象徵，歷經了數十年的演進仍然沒有被取代，很多集成電路的製造商至今仍然在生產741。直到今天μ Α741仍然是各大學電子工程系中講解運算放大器原理的典型教材。形成從分立元件到集成器件的轉變是由集成電路本身的優越性決定的首先，在集成電路中，製作有源器件(電晶體、場效應管等)比製造大電阻佔用的面積小，而且工藝上也不會增加麻煩，因此，集成電路中大量使用有源器件製成有源負載，以獲得大電阻，提高放大電路的放大倍數；將其製成電流源，以獲得穩定的偏執電流。所以一般集成運算放大器的放大倍數要比分立元件的放大倍數大得多。其次，由於集成電路中所有元件同處在一塊矽片上，相互距離非常近，而且都在同一工藝調節下製造，因此，儘管各元件參數的絕對精度差，但相對精度高，故對稱性能好，特別適應製作對稱性要求高的電路，如差動電路、鏡像電流源等。當然，如果系統對於放大器的需求超出集成電路放大器的需求時，常常會利用分立式元件來實現這些特殊規格的運算放大器。集成運算放大器最初是以通用運算放大器的形式出現，顧名思義，此類運算放大器最初是被設計用來進行數學運算的，它具有較高放大倍數的電路單元，隨著工業的發展以及市場需求多樣化趨勢的推動，運算放大器的帶寬得到了極大地擴展、頻響有了充分的保證，於是寬帶運算放大器開始被廣泛運用於自動控制、電子測量等專業領域。以往寬帶放大器的增益可調環節的核心部件為電阻網絡，調節方式為手動調節，儘管採用這種方式的增益調節範圍較寬，但它不人性化，並且另精度差，不利於生產、生活的需求。隨著技術的進步，自動化程度越來越高，寬帶放大器的設計理念也隨之走向「以人為本」。增益可調的寬帶放大器也逐漸由手動調節增益轉變為增益自動可調，如Tektronics-TDS3012C數字示波器、Fluke_F15B手持數字萬用表、Fluke_F196C手持示波器，這些器件對於信號的放大採用全自動控制，從根本上擺脫了以往模擬儀器需要針對不同幅值的信號進行檔位切換的煩擾，而其內部的核心控制部分均為程控寬帶放大器。文獻XXX中提到使用兩級AD603級聯(單片AD603可調增益範圍僅42dB，級聯後可達80dB以上)，由於AD603是控制電壓與增益成正比的可編程增益放大器(PGA)，用電壓控制增益，便於單片機控制，但是其缺點是(I)增益和帶寬關係不確定，需要通過外部硬體電路確定，如圖I(a)及圖I (b)所示,導致不夠靈活；(2)增益範圍僅為40dB,要實現O 60dB可調的要求，需要兩片級聯，增加了系統的複雜度；(3)對於寬帶直流放大器而言務必強調直流精度，在實際測試中，有必要對輸入了直流電平進行放大輸出。AD603的輸出失調電壓為±30mV，在末級再進行放大則帶來的直流誤差較大，需要做調零處理。本發明考慮採用VCA810構建電路，VCA810為一高增益調整範圍的寬帶壓控放大器，其控制電壓與信號增益(dB)成呈良好線性比例關係，方便由單片機控制增益，而其可調增益範圍更大(80dB)，系統中可只用一片，與其他放大器結合使用，則沒有使用AD603所存在的自激問題。

發明內容
本發明的目的在於提出一種以多級級聯的方式實現的(TlOMHz程控運算放大器，滿足技術指標(I)對於輸入有效值^ 20mV的信號進行60dB放大，最大輸出正弦信號有
效值Vo彡6V;(2)在(TlOMHz頻帶內的增益起伏i 3dB。本發明提出的(TlOMHz程控運算放大器，以多級級聯的方式實現，整條多級放大鏈路由前級、中級、程控放大電路、D/A (模數轉換)、單片機、反相器、末級功率放大電路、二極體峰值檢波電路組成，如圖2所示。其中，程控放大電路放置在前級與中級放大電路之間；二極體峰值檢波電路連接於中級放大電路之後；單片機連接於二極體峰值檢波電路與D/A轉換器之間；反相器連接於D/A轉換器與程控放大電路之間；單片機通過內部A/D採
樣峰值檢波電路的峰值，並與預置的峰值作比較，不斷地改變控制電壓K的值，最終使得輸
出值與設定值一致。單片機連接有操作鍵盤與顯示器。I.如圖4寬帶電壓反饋型放大器0PA842的頻響曲線可知，當其增益取最大值10時，對應_3dB衰減的頻率仍然大於10MHz，故前置與中級放大電路均選擇增益帶寬積為
200MHz、帶寬400MHz的寬帶直流電壓反饋型放大器0PA842，反饋比t =〗(〕。2.程控放大電路選用精密寬帶電流反饋型放大器VCA810，其線性放大範圍為±40必，如圖8所示。考慮到VCA810的輸出電壓擺幅為±1.8Γ,若前級放大電路之後緊跟中級放大電路，則VCA810的輸入電壓過大，直接影響了其放大功能。因此，本發明將以VCA810為核心的程控放大電路放置在了前級與中級放大電路之間，確保了程控級放大電路有足夠的放大餘量。3.末級功率放大電路採用多片(如3-4片)電流反饋型放大器THS3091並聯，以驅動50 Ω負載。THS3091的頻響曲線如

圖10所示，當頻率為IOMHz時，其對應增益G=I, 2，5，10時幾乎均無衰減，符合3dB通頻帶的設計要求；同時，考慮到當中級放大以最大輸出幅值+3. 2V輸出時，令G=5，也有末級輸出幅值+16V，即有效值為+11. 2V，大於預設值+6V，而G=2時，輸出有效值為+3. 84V〈+6V，所以令末級放大5倍。4.本發明要以程控方式實現大閉環的AGC控制，出於低功耗考慮，本發明採用LM3S811單片機作為微控置器，其內部A/D採樣率為IObit即1ΚΗζ〈〈10ΜΗζ，即採樣速率遠低於信號變化的速度，所以緊跟末級THS3091又設計了二極體峰值檢波電路，如圖12所示，從而使輸出幅度保持相對穩定。單片機將每次採樣得到的峰值與預置的峰值作比較，不斷地改變控制電壓K的值，最終使得輸出值與設定值一致。5. D/A轉換電路採用12位的數模轉換晶片TLV5616，其晶片引腳圖及外圍電路分別如圖14、15所示。鑑於D/A轉換晶片TLV5616的輸出為正電壓，因此緊跟D/A轉換電路
的反相器選用通用放大器TLC084，以滿足加到VCA810上的控制電壓Fc為負，實現電路如圖
17所示。其中，9號引腳處除了上行反饋支路以外，由電阻R18和電容C18串行組成的下行支路是為了消除電路的自激振蕩而添加的「超前滯後補償」電路。本發明中，電壓增益AV可預置並顯示，預置範圍為O 60dB，步距為2dB (也可以連續調節)。本發明中，將以往的二極體峰值檢波電路中並聯在充電電容兩旁的電阻替換成了三極體，通過控制加在三極體基極上的電平高低來高效地完成電容的實時放電工作。本發明中，緊跟D/A之後的反相器電路採用超前滯後補償以消除自激振蕩的影響。本發明中，程控寬帶放大器採用PCB (印製電路板)實現，做到了數字地與模擬地的充分隔離，有效地避免了信號「回流」及串擾。綜上所述，整個系統的增益分配為前置與中級放大電路均採用10倍放大；末級放大級採用5倍放大；如圖8所示，程控級晶片VCA810的線性放大區對應於控制電壓
-,有—40迎~+40迎的增益，足夠滿足既定要求。所以，當輸入電壓峰值
=IOmZ時，經過60dB放大，輸出電壓峰值則可達到10V，即有效值為7. OiV _ 6V，滿足
技術指標(I )。此外，由上述討論可知前置放大與中級放大均選用增益帶寬積為200MHz、帶寬400MHz的寬帶直流電壓反饋型放大器0PA842，則對應於增益為10的帶寬X1 = X3 = 20MHz ；
程控放大級的VCA810的可控增益帶寬為25MHz，即/,2 = 25MHz ;末級電流反饋型放大器
THS3091在增益G=2時對應的帶寬為210MHz，則其對應G=5時的帶寬X4 = 84MHz，將上述值
代入式
權利要求
1.一種(TlOMHz程控寬帶放大器，其特徵在於採用多級級聯的方式，整條多級放大鏈路由前級、中級、程控放大電路、D/A轉換器、單片機、反相器、末級功率放大電路、二極體峰值檢波電路組成，其中，程控放大電路放置在前級與中級放大電路之間；二極體峰值檢波電路連接於中級放大電路之後；單片機連接於二極體峰值檢波電路與D/A轉換器之間；反相器連接於D/A轉換器與程控放大電路之間；單片機通過內部A/D採樣峰值檢波電路的峰值，並與預置的峰值作比較，不斷地改變控制電壓 的值，最終使得輸出值與設定值一致；該程控寬帶放大器實現對3dB通頻帶O IOMHz內輸入電壓有效值Vi ≤20mV的小信號進行60dB放大，通頻帶內增益起伏≤3dB、最大輸出正弦信號有效值Vo≥6V且輸出信號波形無明顯失真；輸入電阻≥50 Ω ;負載電阻50±2 Ω。
2.根據權利要求I所述的O IOMHz程控寬帶放大器，其特徵在於前置與中級放大電路採用寬帶電壓反饋型放大器0PA842，且其增益G=IO。
3.根據權利要求I所述的O IOMHz程控寬帶放大器，其特徵在於程控放大電路採用單級集成壓控增益放大器VCA810。
4.根據權利要求I所述的O IOMHz程控寬帶放大器，其特徵在於未級功率放大電路採用多片電流反饋型運算放大器THS3091並聯，以驅動50 Ω負載。
5.根據權利要求I所述的O IOMHz程控寬帶放大器，其特徵在於電壓增益AV可預置並顯示，預置範圍為O 60dB,步距為2dB ,或步距連續調節。
6.根據權利要求2所述的O IOMHz程控寬帶放大器，其特徵在於二極體峰值檢波電路中，由一三極體並聯在充電電容兩旁，通過控制加在三極體基極上的電平高低來高效地完成電容的實時放電工作。
7.根據權利要求2所述的O IOMHz程控寬帶放大器，其特徵在於緊跟D/A之後的反相器電路採用超前滯後補償以消除自激振蕩的影響。
8.根據權利要求I所述的O IOMHz程控寬帶放大器，其特徵在於程控寬帶放大器採用PCB實現，使數字地與模擬地的充分隔離，以避免信號「回流」及串擾。
全文摘要
本發明屬於自動控制技術領域，具體為一種0~10MHz程控寬帶放大器。該程控寬帶放大器採用多級級聯的方式，整條多級放大鏈路由前級、中級、程控放大電路、D/A轉換器、單片機、反相器、末級功率放大電路、二極體峰值檢波電路組成，其中，程控放大電路放置在前級與中級放大電路之間；二極體峰值檢波電路連接於中級放大電路之後；單片機連接於二極體峰值檢波電路與D/A轉換器之間，反相器連接於D/A轉換器與程控放大電路之間；本發明能夠對從直流信號到10MHz帶寬內的交流小信號進行0~60dB穩定放大及增益可控調節，並且由末級功率放大實現對50Ω負載的驅動，可廣泛適用於自動控制儀表、醫療電子儀器、電子測量儀器等。
文檔編號H03F3/45GK102882480SQ20121024193
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月13日 優先權日2012年7月13日
發明者葉凡, 黃佳森, 任俊彥, 李寧, 許俊, 李巍 申請人:復旦大學