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程控宽带直流功率放大器的设计

2011-03-24 11:39
安娜PARKER
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  2 系统硬件设计

  2.1 程控放大及直流偏置调整电路

  前级可控增益放大电路采用AD603压控运放。AD603是一款温度稳定性高、噪声低、精密控制的可变增益放大器。其通频带为90 MHz,基本增益Gain(dB)=40VG+10。其中,VG是压控输入电压,控制电压范围为-O.5~+O.5 V,所以该放大器设计增益为-10~+30 dB。从此式还可以看出,以dB作为单位的对数增益和控制电压之间是线性的关系,只要单片机进行简单的线性计算就可以控制对数增益,可以很准确地实现增益步进。

  AD603的1、2脚为增益控制差分电压输入端,最大增益误差为0.5 dB,压控电压由10位D/A转换器TLC5615提供。TLC5615的2.5 V基准电压由精密可调电压源TL431提供,最大输出电压为5 V,输出电压分辨率是4.9 mV,所以AD603的分辨率约为O.2 dB。因此,通过单片机内预置数据表可以比较容易地实现增益步进1 dB的预置。为了设计方便,实际设计时把AD603的2脚接入0.6 V固定电压,1脚电压由D/A转换器DAC5615提供,因此要求DAC5615输出的电压范围为O.1~1.1 V,即可满足要求。

  普通的宽带放大器一般不包括直流成分,级与级之间通过电容耦合,这样可以有效地避免各级之间静态工作点相互影响。本项目要求放大器放大的信号频率可延伸至直流,由于实际测试发现AD603输出含有与增益无关的直流电压,因此需要在AD603之后设置一级直流偏置调整电路。实际电路如图2所示。电路采用精密运放OPA690构成同相比例放大器,因前级电路的零点漂移电压为正值,需在放大器的反相输入端加一可调直流偏压。

  

  2.2 带宽滤波电路

  根据项目需要,设计时采用了DC~5MHz和DC~10 MHz两种带宽。综合考虑带内增益波动、相位特性、设计难度,以及无源滤波器在高速、高阶滤波方面相对于有源滤波器有较好性能的特点,滤波电路由分立元件LC组合而成,采用在通频带内起伏最小的巴特沃斯低通滤波器。经测试,7阶下截止频率为5 MHz时,0~4 MHz频带内起伏小于1 dB;截止频率为10 MHz时,O~9 MHz频带内起伏也小于l dB。归一化的7阶巴特沃斯低通滤波器的电路图如图3所示。

  

  根据公式,可计算出截止频率分别为5 MHz、10 MHz,特性阻抗为50 Ω时的滤波器元件参数。其中,L’、C’为计算得到的值,L、C为对应的归一化数据,f为滤波器的截止频率。具体计算结果如表1所列。

  

  2.3 功率放大电路

  若采用分立元件,使用大功率、高速三极管推挽输出可以使放大器的输出功率很高,驱动能力较强,但这种电路温度漂移严重,低频及直流时会严重影响输出效果。若采用2片运放分别连接成同相和反相放大,通过差分取出信号,可以实现2倍于运放输出的信号,但这种电路对运放相位要求较高,而且输出信号为浮地。若采用专用的大电压、高驱动电流反馈型集成运放芯片,本项目要求频带很宽,且输出高电压时输出的电流很大,一般很难找到这类芯片。为满足项目设计要求,进一步扩大输出电流,本文采用2片同样的电流反馈型运放THS3092并联输出。

  THS3092是双路高压低失真电流反馈型运算放大器,可提供电压为±15 V的线性功率放大,最大输出电流为250 mA(2片并联可达到500 mA),转换速率高达5700 V/ns,放大6 dB时带宽为160 MHz,能够满足10MHz带宽和高速系统的设计要求。当输出电压从O V变化到15 V时,其电压变换时间约为1 ns,完全能够满足高频信号输出不失真的要求。

  功率放大电路如图4所示。采用2片THS3092构成两级同相电压放大电路和一级运放并联输出扩流电路。每级放大电路增益A=R1/R2+1=2倍(6dB),3级共18dB,最大可输出峰峰值电压28V。

  

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