程控增益低噪声宽带直流放大器的设计

摘要：介绍了程控增益低噪声宽带直流放大器的设计原理及流程。采用低噪声增益可程控集成运算放大器AD603和高频三极管2N2219和2N2905等器件设计了程控增益低噪声宽带直流放大器，实现了输入电压有效值小于10 mV，输出信号有效值最大可达10 V，通频带为0～8 MHz，增益可在0～50 dB之间5 dB的步进进行控制，最高增益达到53 dB，且宽带内增益起伏远小于1 dB的两级宽带直流低噪声放大器的设计。
关键词：低噪声；程控增益；功率放大；宽带直流放大器

0 引言
    低噪声宽带直流放大器位于接收机前端，放大微弱信号是其主要作用，对于降低噪声干扰，提高整个接收机的性能起着至关重要的作用。因此，低噪声宽带直流放大器一直是雷达、通信和电子对抗等电子系统中的关键部件，有着广泛的军用和民用价值。本文介绍的宽带直流低噪声放大器，通频带为0～8 MHz，增益可在0～50 dB之间以5 dB的步进进行控制，最高增益达到53 dB，且宽带内增益起伏远小于1 dB。

1 总体设计方案
    该设计主要包含输入缓冲级、可控增益放大模块、功率放大输出模块以及单片机控制模块。可控增益放大器负责信号放大并与单片机电路配合实现了增益控制。后级功率输出模块进一步进行功率放大，得到较高的输出电压范围。整体结构框图如图1所示。

2 单元电路设计
2．1 输入缓冲级
    输入电压有效值小于10 mV，当输入小信号时AD603的放大性能很差，所以在输入端采用AD4031构成输入缓冲级，对小信号输入信号进行一定放大，同时对后续的AGC调零。
2．2 可控增益放大器
    单级AD603的电压增益可按以下公式计算：
    Gain(dB)=40VG+10
    式中VG为差分输入电压。
    可见，AD603的增益与其控制电压成线性关系，也就是说，只要用单片机控制D／A输出线性变化的控制电压，便可得到线性变化的电压增益输出。假设键盘输入预置电压增益GF，则D／A输出电压的理论值应为：
VG=(GF-10)／40。又由于D／A的输出电压VOUT=DIN／212VREF，可算出DIN的理论值DIN=VOUT／VREF×212。因此，只要利用单片机向D／A送12位的DIN，在D／A的输出端便可得到所需的控制电压VG，从而控制AD603产生GF大小的电压增益。
    由于单级AD603只能实现31．07 dB增益，要设计出电压增益大于等于50 dB，所以必须采用2片AD603级联。AD603有两种方式增益连接方式：顺序级联和并联级联。为了控制精度、提高性噪比，该设计采用顺序级联方式。
    当高频信号通过两级级联的放大器时很容易产生自激，从而限制了系统的宽带增益积。为此，采用了多种方法来抑制自激，最终使系统的宽带增益积达到400MdB。
    由于输入的信号包含直流分量，其电路图如图2所示。其中，5 V电压经过R1，R2，R3分压，分别为两级AD603提供0．5 V和1．5 V的控制电压差，从而使电压增益值从0 dB开始调节。控制电压Vcontrol是由D／A产生的直流电压，所以在其输入端就近对地接一直流旁路电容。图2中的C1即直流旁路电容，起着减小输入的高频噪声干扰的作用。C3，C4为去耦电容，滤除高频信号噪声和反馈引起的耦合作用。

2．3 功率放大
    AD603的输出电压只有2 V，而输出电压有效值高达10 V，故需要进行功率放大。由于输入信号的频带比较宽，功率也较高，所以采用宽带功率放大三极管2N2219和2N2905。功放电路由两级功率放大组成，第一级将输入信号分成直流信号和高频信号，对两路分别进行电压放大，整个功放电路的电压增益主要集中在这一级上；第二级对信号进行电压合成和电流放大，提高负载驱动能力。另外，功放电路还采用负反馈以提高带宽。功放电路原理图如图3所示。

2．4 增益控制模块
    控制部分主要由单片机和D／A组成。该设计采用ST89S51和12位的D／A TLV5616，单片机首先接收键盘的预置增益值，一方面送给LCD显示；另一方面通过一定的运算后输入12位D／A，产生控制电压控制AD603自动调节增益值，输出所需的信号。它的框图如图4所示。

2．5 程序控制模块
    该设计的系统控制核心采用STC89F52单片机，内部资源丰富。用单片机实现人机交互和外围控制，分别对单片机和液晶初始化，并根据预置增益值进行一定的运算，驱动D／A产生所需的控制电压。程序控制流程如图5所示。

3 改善放大器性能的措施
3．1 增益起伏控制
    由于AGC对不同频率输入信号的增益不完全相同，所以会造成增益谱不平坦，即有增益起伏。该设计选用的AD603其内部含有负反馈，可以较好地控制增益起伏。另外，在放大器的输出端对地接耦合小电容47 pF和2μH电感等措施进行补偿，从而将增益起伏控制在1 dB以下。
3．2 线性相位
    由于系统对不同频率的信号响应产生的延时有可能不同，所以会产生相移(落后或超前)。要使所有频率的输入具有相同的相位，则需设计线性相位滤波器，通常采用FIR滤波器，也可以采用模拟的方法。该设计采用电压并联负反馈，较好地抑制了相位漂移。
3．3 抑制直流零点漂移
    零点漂移是指输入为零时输出端仍有缓慢变换的输出电压的现象，实际中常采用补偿的方法来抑制零点漂移。多级级联时，为防止温漂逐级递增，必须采用阻容耦合或变压器耦合。在此设计中，在放大器之前设计了一个输入缓冲级，采用低温漂的运算放大器TL4031，对输入的小信号进行适当的放大，使输入信号远大于温漂，这样温漂的影响便可忽略。同时，在功率放大器输入端设置了调零功能。
3．4 放大器的稳定性
    由于晶体管有反向传输导纳存在，会产生自激，影响放大器的稳定性。为了提高运放的稳定性，可以从电路上设法消除晶体管的反向作用，采用失配法使其单向化。由于高频信号通过两级级联的AD603很容易产生自激，因此采取了2种抑制自激的方法：
    (1)在可控增益放大器的控制端加电感以及在其输出端加滤波电路来滤除高频噪声；
    (2)在功率放大器的反馈端加一小电容以防止输出的高频大信号耦合到输入端；

4 结语
    该系统基于低噪声增益可程控集成运算放大器AD603和高频三极管2N2219和2N2905等器件设计的宽带直流放大器具有低噪声、高增益、增益可程控(从0～53 dB)、输出电压幅度在50 Ω负载上最大可达10 V、带宽最大为8 MHz、带宽可选择等众多优点。在实际运用过程中证明该放大器在自动化要求较高的系统中具有很好的应用。