摘要：介紹了程控增益低噪聲寬帶直流放大器的設(shè)計原理及流程。采用低噪聲增益可程控集成運算放大器AD603和高頻三極管2N2219和2N2905等器件設(shè)計了程控增益低噪聲寬帶直流放大器，實現(xiàn)了輸入電壓有效值小于10 mV，輸出信號有效值最大可達(dá)10 V，通頻帶為0～8 MHz，增益可在0～50 dB之間5 dB的步進(jìn)進(jìn)行控制，最高增益達(dá)到53 dB，且寬帶內(nèi)增益起伏遠(yuǎn)小于1 dB的兩級寬帶直流低噪聲放大器的設(shè)計。
關(guān)鍵詞：低噪聲；程控增益；功率放大；寬帶直流放大器

0 引言
    低噪聲寬帶直流放大器位于接收機(jī)前端，放大微弱信號是其主要作用，對于降低噪聲干擾，提高整個接收機(jī)的性能起著至關(guān)重要的作用。因此，低噪聲寬帶直流放大器一直是雷達(dá)、通信和電子對抗等電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，有著廣泛的軍用和民用價值。本文介紹的寬帶直流低噪聲放大器，通頻帶為0～8 MHz，增益可在0～50 dB之間以5 dB的步進(jìn)進(jìn)行控制，最高增益達(dá)到53 dB，且寬帶內(nèi)增益起伏遠(yuǎn)小于1 dB。

1 總體設(shè)計方案
    該設(shè)計主要包含輸入緩沖級、可控增益放大模塊、功率放大輸出模塊以及單片機(jī)控制模塊。可控增益放大器負(fù)責(zé)信號放大并與單片機(jī)電路配合實現(xiàn)了增益控制。后級功率輸出模塊進(jìn)一步進(jìn)行功率放大，得到較高的輸出電壓范圍。整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 單元電路設(shè)計
2．1 輸入緩沖級
    輸入電壓有效值小于10 mV，當(dāng)輸入小信號時AD603的放大性能很差，所以在輸入端采用AD4031構(gòu)成輸入緩沖級，對小信號輸入信號進(jìn)行一定放大，同時對后續(xù)的AGC調(diào)零。
2．2 可控增益放大器
    單級AD603的電壓增益可按以下公式計算：
    Gain(dB)=40VG+10
    式中VG為差分輸入電壓。
    可見，AD603的增益與其控制電壓成線性關(guān)系，也就是說，只要用單片機(jī)控制D／A輸出線性變化的控制電壓，便可得到線性變化的電壓增益輸出。假設(shè)鍵盤輸入預(yù)置電壓增益GF，則D／A輸出電壓的理論值應(yīng)為：
VG=(GF-10)／40。又由于D／A的輸出電壓VOUT=DIN／212VREF，可算出DIN的理論值DIN=VOUT／VREF×212。因此，只要利用單片機(jī)向D／A送12位的DIN，在D／A的輸出端便可得到所需的控制電壓VG，從而控制AD603產(chǎn)生GF大小的電壓增益。
    由于單級AD603只能實現(xiàn)31．07 dB增益，要設(shè)計出電壓增益大于等于50 dB，所以必須采用2片AD603級聯(lián)。AD603有兩種方式增益連接方式：順序級聯(lián)和并聯(lián)級聯(lián)。為了控制精度、提高性噪比，該設(shè)計采用順序級聯(lián)方式。
    當(dāng)高頻信號通過兩級級聯(lián)的放大器時很容易產(chǎn)生自激，從而限制了系統(tǒng)的寬帶增益積。為此，采用了多種方法來抑制自激，最終使系統(tǒng)的寬帶增益積達(dá)到400MdB。
    由于輸入的信號包含直流分量，其電路圖如圖2所示。其中，5 V電壓經(jīng)過R1，R2，R3分壓，分別為兩級AD603提供0．5 V和1．5 V的控制電壓差，從而使電壓增益值從0 dB開始調(diào)節(jié)。控制電壓Vcontrol是由D／A產(chǎn)生的直流電壓，所以在其輸入端就近對地接一直流旁路電容。圖2中的C1即直流旁路電容，起著減小輸入的高頻噪聲干擾的作用。C3，C4為去耦電容，濾除高頻信號噪聲和反饋引起的耦合作用。

2．3 功率放大
    AD603的輸出電壓只有2 V，而輸出電壓有效值高達(dá)10 V，故需要進(jìn)行功率放大。由于輸入信號的頻帶比較寬，功率也較高，所以采用寬帶功率放大三極管2N2219和2N2905。功放電路由兩級功率放大組成，第一級將輸入信號分成直流信號和高頻信號，對兩路分別進(jìn)行電壓放大，整個功放電路的電壓增益主要集中在這一級上；第二級對信號進(jìn)行電壓合成和電流放大，提高負(fù)載驅(qū)動能力。另外，功放電路還采用負(fù)反饋以提高帶寬。功放電路原理圖如圖3所示。

2．4 增益控制模塊
    控制部分主要由單片機(jī)和D／A組成。該設(shè)計采用ST89S51和12位的D／A TLV5616，單片機(jī)首先接收鍵盤的預(yù)置增益值，一方面送給LCD顯示；另一方面通過一定的運算后輸入12位D／A，產(chǎn)生控制電壓控制AD603自動調(diào)節(jié)增益值，輸出所需的信號。它的框圖如圖4所示。

2．5 程序控制模塊
    該設(shè)計的系統(tǒng)控制核心采用STC89F52單片機(jī)，內(nèi)部資源豐富。用單片機(jī)實現(xiàn)人機(jī)交互和外圍控制，分別對單片機(jī)和液晶初始化，并根據(jù)預(yù)置增益值進(jìn)行一定的運算，驅(qū)動D／A產(chǎn)生所需的控制電壓。程序控制流程如圖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對不同頻率輸入信號的增益不完全相同，所以會造成增益譜不平坦，即有增益起伏。該設(shè)計選用的AD603其內(nèi)部含有負(fù)反饋，可以較好地控制增益起伏。另外，在放大器的輸出端對地接耦合小電容47 pF和2μH電感等措施進(jìn)行補(bǔ)償，從而將增益起伏控制在1 dB以下。
3．2 線性相位
    由于系統(tǒng)對不同頻率的信號響應(yīng)產(chǎn)生的延時有可能不同，所以會產(chǎn)生相移(落后或超前)。要使所有頻率的輸入具有相同的相位，則需設(shè)計線性相位濾波器，通常采用FIR濾波器，也可以采用模擬的方法。該設(shè)計采用電壓并聯(lián)負(fù)反饋，較好地抑制了相位漂移。
3．3 抑制直流零點漂移
    零點漂移是指輸入為零時輸出端仍有緩慢變換的輸出電壓的現(xiàn)象，實際中常采用補(bǔ)償?shù)姆椒▉硪种屏泓c漂移。多級級聯(lián)時，為防止溫漂逐級遞增，必須采用阻容耦合或變壓器耦合。在此設(shè)計中，在放大器之前設(shè)計了一個輸入緩沖級，采用低溫漂的運算放大器TL4031，對輸入的小信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，使輸入信號遠(yuǎn)大于溫漂，這樣溫漂的影響便可忽略。同時，在功率放大器輸入端設(shè)置了調(diào)零功能。
3．4 放大器的穩(wěn)定性
    由于晶體管有反向傳輸導(dǎo)納存在，會產(chǎn)生自激，影響放大器的穩(wěn)定性。為了提高運放的穩(wěn)定性，可以從電路上設(shè)法消除晶體管的反向作用，采用失配法使其單向化。由于高頻信號通過兩級級聯(lián)的AD603很容易產(chǎn)生自激，因此采取了2種抑制自激的方法：
    (1)在可控增益放大器的控制端加電感以及在其輸出端加濾波電路來濾除高頻噪聲；
    (2)在功率放大器的反饋端加一小電容以防止輸出的高頻大信號耦合到輸入端；

4 結(jié)語
    該系統(tǒng)基于低噪聲增益可程控集成運算放大器AD603和高頻三極管2N2219和2N2905等器件設(shè)計的寬帶直流放大器具有低噪聲、高增益、增益可程控(從0～53 dB)、輸出電壓幅度在50 Ω負(fù)載上最大可達(dá)10 V、帶寬最大為8 MHz、帶寬可選擇等眾多優(yōu)點。在實際運用過程中證明該放大器在自動化要求較高的系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用。