一种微弱信号的宽带程控高增益放大器设计
来源： 作者： 发布时间：2015-02-22 09:18:08 浏览量：2 核心硬件电路设计
2．1 可变增益电路
可变增益模块选用TI公司的高增益可调宽带压控放大器VCA810，其特性包括高增益可调范围-40～+40dB，增益控制准确度±1．5 dB(高精度型号为±0．9 dB)，差分输入单端输出昆山电感厂，不变的增益带宽35 MHz，dB／V增益线性度±0．3 dB，增益控制带宽25 MHz，低输出DC误差小于40 mV，高输出电流±60 mA，低工作电流24．8 mA。
VCA810的工作原理是通过对其引脚3施加直流电压来控制增益的大小。控制电压与增益的函数关系式为：
当Vc从0 V变化到-2 V时，增益从-40 dB线性地变化到+40 dB。另外，当Vc电压超过0 V时，增益为-80 dB。
VCA810电路原理图如图5所示，为了系统的稳定性，此处采用两片VCA810级联实现80 dB的动态范围，增益控制方式有手动和预设两种。
当工作在手动模式时，通过电位器分压来提供Vc信号，当工作在预设模模压电感式时，通过键盘输入增益值，然后经过单片机D／A输出提供Vc信号。
2．2 功率放大电路
此模块要对前级可控增益放大模块输出的信号进行功率放大，最后驱动50 Ω的负载电阻。如图6所示，此处设计利用前文分析到的运放扩压输出电路先对信号进行电压放大，然后进行电流放大，继而完成功率放大的功能。
THS3001具有高达6 500 V／μs的转换速率，420 MHz的-3 dB带宽和良好的带内平坦度，在110 MHz时，增益仅下降0．1 dB；大信号应用时具有40 ns的建立时间；差分增益误差小于0．01％，差分相位误差小于0．02％；非线性失真小于-96 dB；电源电压可在±4．5～&pl共模电感usmn;15 V之间选择。
电流放大部分采用MOSFET IRF9610和IRF610搭建的甲乙类放大器放大THS3001输出的信号，电路如图6所示。IRF610、IRF9610属于Vishay公司的第3代Power MOSFET，为设计者提供了转换快速、坚固耐用、低导通阻抗和高效益的强力组合。
3 测试
3．1 测试条件
在室温25℃，普通实验室条件下，采用扫频仪对系统进行幅频特性测试，采用信号源、示波器对系统的放大倍数进行测试。
3．2 测试方案及数据
通过函数发生器产生0～15 MHz有效值1 V的正弦波，然后经过-40 dB衰减器，产生有效值电感器 用途为10 mV的待测信号。通过按键输入放大器预设增益，用双踪示波器分别观测系统输入和输出信号的大小。图7为部分测试结果的折线图，系统最大增益达80dB，带内增益起伏小于1dB。
在增益为40 dB时，增大输入信号幅度，观察50 Ω负载上的最大不失真输出信号幅度，经测试，最大不失真电压峰峰值为42 V。
在增益为60 dB时，将输入端与地短接，测出输出端噪声电压的峰峰值为0．2 V。
3．3 测试结果分析
由以上数据可知，系统在输出功率方面有良好的性能，输出功率可达4．41 W，超过设计指标2 W的要求。最大不失真输出电压为峰峰值42 V，比Multisim软件仿真最大不失真输出电压峰峰值48 V小6 V，考虑到三极管参数不完全对称等器件的实际情况，此结果可证明改进型运放供电电路切实有效。可变增益范围为0～80dB，若在VCA810模块中增加频率补偿和前后匹配等相关措施，增益动态范围仍可进一步扩展，80 dB时失真度仍然很小，有进一电感生产厂家步提高增益的可能性。0～60dB增益范围内系统的噪声抑制特性良好。测试过程中的误差主要来源于电磁干扰，以及信号源的噪声电平。
结语
宽带放大器以压控增益放大器VCA810和超高速电流反馈放大器THS3001为核心，利用数字技术实现增益的预设，总增益范围为0～80dB，通频带为0～15 MHz，最大输出电压峰峰值达42 V。前置放大器采用低噪声电压反馈宽带放大器OPA2690，大大提高输入电阻。后级功率放大采用运放扩压和扩流输出电路，有效地提高了系统的带负载能力。
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