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基于JFET 的高精度可程控放大电路设计

2011-01-13 11:49
夜隼008
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  摘要:微弱信号常常伴随大量的噪声且驱动能力较弱,给精确测量带来很大难度。基于结型场效应管的程控放大器以压控放大电路为核心,通过单片机C8051F020控制12位D/A输出,改变工作在可变电阻区的结型场效应管的栅极电压以改变反馈电阻, 从而实现放大倍数精确调节,使整个系统操作起来更加简单、方便。系统实现对信号1到1000倍放大并可程控,通过液晶显示输入、输出值和放大倍数。测试结果显示系统能够对最小1mv的输入信号进行预定放大且具有较高的精度;以JFET为核心的压控电阻工作速度快、可靠性好、控制灵敏度高,无机械触点使其噪声较低;系统12位A/D、D/A均集成在单片机内部,缩减了复杂的外围电路,可靠性高;系统还具有输入电阻大、共模抑制比高等特点。因此在数据采集系统、自动增益控制、动态范围扩展、远程仪表测试等微弱信号测量方面使用尤为适宜。

  对微弱信号的程控放大,传统的方法是采用可软件设置增益的放大器如AD8321 芯片,但该类放大器价格较高且选择档位较少。采用数字电位器或者模拟开关和AD* 组成的多档位、低成本的程控放大器可克服以上缺点,但是模拟开关具有较大的噪声且存在偏置电阻,精度不高使用D/A 内部电阻实现可变电阻也是较为常用的方法, 利用DAC 内部精密电阻网络作为运放的反馈电阻提高了放大精度,但这种方案难以实现连续调节。基于结型场效应管的程控放大器采用时钟频率为100MHz 的C8051F020 单片机实现闭环控制, 能实时调节输出,实现对输入信号的精确放大。通过D/A改变场效应管的栅源极之间的电压以调节压控电阻,可变电阻范围大,噪声低,采用较复杂的软件系统弥补了线性度不高的问题,较高的精度满足实际应用需要。

  1 程控放大器原理

  压控放大模块要求实现1~100 倍放大,然后与前置放大模块组合实现100~1000 倍的信号放大。

  采用D/A 控制以场效应管为核心的可变电阻可实现该设计要求。场效应管的源漏极电压UDS 小于1V,UGS 不变时,ID 随UDS 的增加而增加, 与电阻的特性一致,并且UGS 改变时ID-UDS 曲线的斜率跟着改变。这就是说, 场效应管可以用作一个受UGS 控制的压控电阻。

  本设计将场效应管接入运放的T 型反馈网络,使运放的等效反馈电阻随场效应管的DS 间电阻的变化而变化,如图1 所示。

  

  图1 压控放大电路

  反馈电阻为:

  

  为了确保场效应管DS 之间的电压小于1V,取R1=R2:

  

  压控放大电路放大倍数为:

  

  经过多次试验,选取R1=200,R2=200,R3=1,R4=390。改变场效应管栅极电压,测量输入、输出,并计较得到放大倍数AV 的范围为1 ~112 之间, 对20Hz~20kHz 的正弦信号进行多次测量和分析,栅级电压与增益的具体对应关系如表1 所示。

  表1 场效应管GS 电压值与增益关系

  

  以输入和放大倍数为坐标反映到曲线图上如图2 所示。

  

  图2 输入电压与放大倍数关系散点图

  由图可知输入电压与放大倍数近似成线性关系,经线性拟合后得到函数关系:

  

  UGS取值范围-2.38V~0V, 如果采用12 位D/A控制UGS, 参考电压取2.4V 则可实现0.001V 步进,数字信号通过D/A 转化为模拟信号,其输出经反向后接到结型场效应管G 极,由于R1、R2对称使场效应管工作在可变电阻区,源极和漏极间的等效电阻由G 极的电压即D/A 输出电压控制,场效应管源极和漏极的电阻变化会引起反馈电阻的变化。UDS 增益、AV 及数字量D/A 间对应关系如表2 所示。

  单片机D/A 输出电压0~2.4V,故需外接运放将输出反向,输出电压范围为-2.4V~0V,可满足要求。

  表2 UDS增益、AV及D/A 数字量之间的对应关系

  

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