AD603应用电路之可控直流宽带放大器

发表于 2017-12-04 09:43:14 收藏 已收藏
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AD603应用电路之可控直流宽带放大器

发表于 2017-12-04 09:43:14

  现如今各类型放大器的运用领域不断扩展。在当今科技和通讯高速发展下,各种自动化、智能化仪器装置对信号的要求越来越高,尤其在一些高精度的领域,对小信号的放大与处理要求更为严格。普通的运放存在着本身不可忽略的缺点,用普通的运放设计的放大器一般具有频带窄、噪声系数大、低增益的特点。直流宽带放大器可以对宽频带、小信号、交直流信号进行高增益的放大,广泛应用于军事和医用设备上等高科技领域上,具有很好的发展前景。

  本文介绍一款以AD603为核心,实现高增益、高精度、低噪声、增益可控性高的程控直流宽带放大器。

  放大器系统组成结构

AD603应用电路之可控直流宽带放大器

  本放大器系统由控制器、主放大电路、DA增益控制、键盘扫描、液晶显示及直流稳压电源六大功能模块。各模块间的关系如图1所示。控制器采用Atmel公司生产MCS51系列的AT89s52单片机,负责对数据的运算处理。DA转换使用TLC5615,TLC5615是带有缓冲基准输入(高阻抗)的10位电压输出串型数字-模拟转换器,器件使用简单,用单5V电源工作。信号经过IO直接驱动DA芯片工作,进行DA转换,输出控制电压,实现对AD603的增益控制。键盘使用常用的4X4键盘,采用LCD12864显示,主要显示增益值,实现人机信息交换。LCD12864液晶屏是由128*64个像素组成,具有显示汉字,图形等功能,使得整个系统显示界面友好、大方。系统需±5V电源供电,电源采用了由三端稳压器LM7809和LM7905组成的直流稳压电源。

  基于AD603的放大电路介绍

  1、AD603简介

  AD603是一种具有程控增益调整功能的芯片,它是美国ADI公司的专利产品,是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放,如增益用分贝表示,则增益与控制电压成线性关系,压摆率为275V/μs。管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围,增益在-11~+30dB时的带宽为90Mhz,增益在+9~+41dB时具有9MHz带宽,改变管脚间的连接电阻,可使增益处在上述范围内。该集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益控制、A/D转换量程扩展和信号测量系统。

  2、基于AD603的放大电路工作原理

AD603应用电路之可控直流宽带放大器

  AD603的放大电路如上图所示。AD603由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。从第3脚输入的信号经衰减后,由固定增益放大器输出,衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关,而仅与其差值Vg(1脚和2脚的电压差)有关,由于控制电压1脚和2脚的输入电阻高达50MΩ,因而输入电流很小,致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。当第7和第5两管脚的连接不同电阻时,其放大器的增益范围也不一样,当两脚短接时,增益为40Vg+10,Vg在-500mV~500mV时的增益范围在-10dB~30dB,本设计就应用次性能。

  选用AD603作为主放大器,两片AD603采用顺序级联形式,充分发挥每一片AD603的增益控制功能。AD603的2脚对地压降固定,从而1、2脚的电压差Vg受1脚电压的控制。AD603的增益可表示为:Gain=40·Vg+10。由此可见,随着1脚电压的增加,Vg也增加,则AD603的增益变大,相反,若1脚电压减小,Vg也减小,则AD603的增益变小,从而使两级AD603的输出恒定在某个信号强度上。

  两片AD603采用顺序级联模式有利于控制精度和信噪比的提高。而顺序级联模式要求在放大信号时先启用第一片AD603的增益,用尽后再用第二片的增益。由AD603的增益计算公式可知,当Vg在-500mV~500mV之间时,其增益在-10~30dB范围内变化,则两片AD603的Vg之间应有1V的电压差,在图2中可见,即两片AD603的2脚之间有1V的压降。将第一片AD603的增益范围定为-10~30dB,则相应的Vg为-500mV~500mV,而其2脚已固定在2V,故1脚的控制电压应为1V~2.5V。第二片AD603的增益范围也应定为-10~30dB,则相应的Vg与第一片AD603相同,而其2脚已固定在3V,故1脚的控制电压即应为2.5V~3.5V,两片顺序级联后的总增益范围为-20~60dB。

  由以上分析可知,当DA转换器电压V从1V到3.5V变化控制1脚时,两级AD603的总增益将从-20dB~60dB线性增加。

  由于AD603的输入阻抗仅为100Ω,要能很好的匹配信号源输出阻抗,必须加入输入缓冲部分以提高输入阻抗。前级电路对整个电路的影响非常大,必须尽量减少噪声。故应采用高速低噪声的运放。系统采用高速低噪声运算放大器OPA642作前级缓冲,它的电源电压范围为±4V~±22V,具有40M的带宽范围,输入阻抗可以达到3G,能够很好的匹配前后级阻抗。这样信号先进入前级的缓冲级进行了除噪处理,信号缓冲,阻抗匹配后方从AD603的3脚进入,经过两级AD603放大组合进行放大,电路级间没有容性元器件,故可以实现对直流交流信号的处理。

  3、抗干扰措施

  在进行高频小信号的放大的时候,频带比较宽,当电路工作于较高的频带时很容易引起自激等不良现象,因此要采取各种抗干扰措施。本设计抗干扰主要措施如下:第一,在电路布线是应尽可能使数字电路部分与模拟电路部分隔离;第二,信号传输屏蔽,信号之间尽量用焊接法,减少用夹子夹或是插拔接头,信号传输使用同轴线,接头使用SMA接头;第三,整个系统除信号输入、输出接口外全部用金属外壳屏蔽。

  系统软件设计

  系统软件主要包含了系统初始化程序、LCD12864显示程序、键盘程序、DA转换程序等。系统初始化程序主要对系统的I\O和液晶显示的初始化。液晶显示程序对单片机处理的数据进行显示处理,实现友好人机界面的信息交换。DA转换主要将键盘输入的键值经过相应的处理以后,转换成二进制数据输送给DA芯片的数据口进行转换,经过转换后输出连续可调的模拟电压,用以控制AD603的1脚电压,实现程序控制。程序流程如下图所示。

AD603应用电路之可控直流宽带放大器

  总结

  本文所描述的放大器系统利用数字技术实现增益的步进和预置,放大器的通频带在0Hz~10MHz时能稳定输出,增益范围在-20dB到60dB内可以实现连续和步进可调,增益误差小于1dB,放大器噪声小于20mV。放大器具有宽频带、低噪声、高增益、高抗干扰、性能稳定。系统控制简单,界面友好,已投入使用。

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