可编程增益放大（精选七篇）
可编程增益放大 篇1
一般情况下，在LabVIEW中实现I/O控制有两种方式，一种是I/O硬件已经自带了LabVIEW底层的驱动，这样只需要直接调用即可，这种方式一般用于采集卡或NI的一些板卡[1]上；第二种方式是使用LabVIEW中的I/O端口函数[2]编写底层细节，这种方法一般难度较大。
由于文章所讨论的系统的下位机采用了博来科技股份有限公司单片机主板2I260A，所以如果需要使用上述第一种方法来实现放大器增益的控制，需要额外购买硬件，成本太高，不划算；而且2I260A自带了8个DI和DO接口，如果将其利用，将提高设备的利用率。所以选择第二种方式性价比较高，但2I260A自带的资料全部都是调用WinIO.DLL来实现DIO的控制[3]，使得使用I/O端口实现控制难度较大，所以急需使用一种新的方法来完成所需的I/O控制。
本文详细介绍了使用LabVIEW调用WinIO.DLL来快速实现2I260A上DO的控制，从而来控制放大器中继电器的切换，从而实现编程控制放大器增益[4]调节的目的。试验结果表明，这是一种比基于I/O端口控制更直接更高效的控制方法，完全可以满足放大器档位控制的要求，不仅提高了设备整体的利用率，而且效果良好且运行稳定。
1 概述
1.1 2I260A及其DIO介绍
博来科技股份有限公司于1990年在台北正式成立。该公司专门研发生产工业电脑应用的嵌入式系统。目前已在中国大陆、欧洲和美洲设有多个分支机构。该公司致力于主机板、平板电脑及各类标准系统产品的设计及制造，主打嵌入式系统的各项应用，以满足客户在网络、数字监控、网络存储设备、网路应用、多媒体查询终端、POS机和精简型电脑等方面应用需求。此外，该公司可根据客户需求提供OEM或ODM服务。
2I260A就是博来科技研发的2.5英寸的单片机主板，其主要配置如下：英特尔1.6 GHz的CPU（双核处理器），DDR3 SDRAM 2 GB的内存，1×Realtek RTL8111F10/100/1 000 Mb/s的网卡，两个串口，两个USB接口，支持WDT、4路DI和4路DO，采用12 V供电，支持3G SIM读卡器。由于该电路板的设计结合了所有必要的输入和输出接口，使得2I260A成为一款用于数字标牌和瘦客户端应用程序的理想多功能一体机控制主板。由于其体积小，2I260A也是小尺寸和低功耗设备，如移动PC或小平板电脑的整个范围的完美平台[4]。
由于文章所讨论的系统使用了2I260A作为下位机开发系统，所以使用它的DO来控制放大器的增益省去了外部控制电路的搭建，同时也将设备的利用率达到最大化。
1.2 WinIO简介
WinIO是由Yariv Kaplan编写的动态链接库，它有如下特点：WinIO函数库通过使用内核模式下的设备驱动程序和其他一些底层编程技巧绕过Windows安全保护机制，允许Windows程序直接对I/O口进行操作；最新版本是3.0，支持32位和64位平台，并可供多个应用程序同时使用。WinIO允许在Windows NT/2000/XP/2003/Vista/7和2008上直接访问I/O端口和物理内存[4]。
2 LabVIEW调用WinIO实现放大器增益控制
2.1 为什么使用WinIO
其实LabVIEW中已经存在对I/O进行操作的函数，如图1所示。
但是，以下几个因素必须考虑：
由于获得的资料（以及demo程序）都是用C或VB编写的，关于I/O具体的地址定义及地址的含义不一定非常清楚，所以使用该I/O端口函数的难度有些大，这方面的资料获取比较难[5]。
LabVIEW毕竟和其他文本语言（比如C语言）还是有所区别，直接对底层程序的开发还存在一定的限制，比如对内存和指针操作就没有C语言那么灵活。而且由于操作系统的某些限制，直接编程来进行底层操作可能会遇到很多困难，而使用前人编写的一些现成的模块来绕过这些底层细节则会轻松很多，而且程序复杂度大大降低。基于上述几点，考虑使用WinIO库来代替I/O端口操作，以减轻工作量。
2.2 LabVIEW对WinIO的调用
这部分涉及到LabVIEW对DLL的操作[6]，属于LabVIEW的高级应用。下面以InitializeWinIo函数为例介绍如何调用：
第一步：将下载的WinIO.dll放置到和将要调用的VI相同的目录下；
第二步：新建一个VI，保存VI到上一步的目录中并打开该VI的程序框图，在其中添加调用库函数节点；
第三步：双击调用库函数节点，打开调用库函数对话框，如图2所示。
因为函数原型为bool＿stdcall InitializeWinIo（），所以接下来配置该对话框，如图3和图4所示。
单击确定按钮，然后完成如图5所示[6]程序框图。
执行该VI，如果返回值是0，则表示调用成功。其他函数的设置根据函数原型同理设置即可。至此，WinIO函数的调用测试已经完成。
2.3 使用LabVIEW调用WinIO控制2I260A的DIO
WinIO中的函数调用是有顺序的：InstallWinIoDriver函数→InitializeWinIo函数→DIO操作函数→ShutdownWinIo函数[7]。必须按照上面的顺序来调用，不然会出现意想不到的结果。
根据博来科技股份有限公司官方网站（http：//www.lex.com.tw）提供的2I260A的DIO操作demo程序的VB版本[8]，可以很轻松地知道图6中的SetDOValue即是操作2I260A的DIO的函数。
这里只是把VB中WinIO.dll中函数的调用换成LabVIEW库函数调用，其他语句用LabVIEW标准语句来实现即可[9]，如图7～图9所示。
经过测试和验证，该方法确实可以控制2I260A的DO，效果良好，运行稳定。如需控制DI，方法类似。
2.4 使用2I260A的DO控制放大器增益
完成对2I260A的DO的控制后，将放大器电路板的继电器控制端连接到这些DO上，即可控制放大器电路中继电器的输出，最多可以控制4个继电器，在档位不多的情况下均可满足，从而达到控制放大器增益的目的。
放大器部分的电路是由OPA820放大器构成的增益可调节放大器电路。
此处的放大器电路中运放的反馈部分由继电器连接4个电阻，采用二进制计数的方式进行组合得到步进增益值，因此只需计算出第一个电阻值就可以知道其他阻值了，如需要接通Rn(n=0～3），则将对应的继电器断开——即将对应电阻接入电路反馈端。如要得到1.1倍的增益，由A=1+R1R0,R0=1 kΩ，计算得到R1=100Ω，由二进制的特点可以算出R2=2R1=200Ω，R3=2R2=400Ω，放大倍数为An=1+RnR0，得到n=(An-1）×100，再将n值转换成二进制值对应到继电器和电阻即可（其中二进制中的“1”对应比特位的电阻应接入电路作为负载，相应的连接到电路的继电器的两个接线端为闭合状态，“0”则相反）。此外，使用DI也可以实现一些其他功能，比如数字信号的采集。这样可以进一步提高设备的利用率。由于本次未使用到数字输入信号，所以该部分未做详细研究。
3 结语
与LabVIEW自带的I/O端口函数相比，通过使用LabVIEW调用WinIO实现DIO的控制确实大大减少了工作量，并且没有碰到任何关于底层I/O相关的操作系统权限问题。这种方法完全可以满足放大器档位控制的要求，不仅提高了设备整体的利用率和节省了大量的时间，而且效果良好且运行稳定。
将WinIO的每个函数进行LabVIEW封装后，下次使用时只需直接调用所需功能的VI，比如，设置DO封装完成后就是一个SetDO.vi，这样以后每次调用就直接调用该VI即可，就能很方便地实现了模块化程序的编写，可谓是一劳永逸，大大提高了工作效率。
摘要：在此详细介绍了如何使用Lab VIEW调用Win IO来控制博来科技股份有限公司的单片机主板2I260A的DIO(数字输入/输出),以及通过控制2I260A的DO来实现控制放大器电路模块中继电器的切换,从而达到编程调节放大器增益的目的。试验结果表明,这是一种比基于底层I/O端口控制更直接更高效的控制方法,完全可以满足放大器增益档位控制的要求,不仅提高设备整体的利用率、降低开发周期,而且效果良好且运行稳定。
可编程增益放大 篇2
日前, 德州仪器 (TI) 宣布推出一款全差动零漂移36 V可编程增益放大器 (PGA) 。该款PGA281在5μV电压下提供同类最低偏移电压, 可提高准确度与长期稳定性, 并减少未来系统校准需求。且其零漂移架构支持DC高精度与长期稳定。设计人员可在工业信号采集应用中使用PGA281, 包括测量测试、应变仪、桥接放大器及医疗仪表等。如欲了解更多详情或订购样片与评估模块 (EVM) , 敬请访问:www.ti.com.cn/pga281-pr-cn。
PGA281的主要特性与优势
·零漂移架构:25μV偏移电压与174 n V/C偏移电压漂移加上128最大增益, 可帮助设计人员优化系统性能。偏移电压可在包括时间与温度的各种条件下实现稳定性。
·业界最佳的CMRR:宽泛频率下超过140 d B, 与同类竞争产品相比可将单位增益的共模信号抑制比提高1倍。这在应对电压变化时可实现最小误差。
·广泛的内部增益选项:数字可编程内部增益选项与输出缩放扩展功能可提供20多个独特增益选择。可编程增益与衰减可实现从几毫伏到超过20 V的广泛输入范围, 因而该产品也是一款多功能前端。
·内部错误检测:错误标记引脚可表明是否发生过压或过载情况, 从而有助于设计人员监控和维持清晰的信号。
封装与供货情况
采用5 mm×6.4 mm、16引脚TSSOP封装的PGA281现已开始供货, 该器件支持-40℃~+105℃的宽泛工作温度。
工具与支持
TI提供各种工具与支持加速采用PGA281的设计。
PGA281EVM评估模块 (EVM) 可帮助设计人员便捷地评估该器件的功能与多功能性。
PGA281通过最新TI高精度设计参考设计“10μA~100 m A、0.05%误差、高侧电流传感”配套提供, 其可使用高灵活增益配置实现跨越40年的高精度电流传感。该TI高精度设计参考设计库提供综合而全面的电路板级高精度设计, 可帮助工程师快速评估和定制系统。
可调增益宽带放大器设计 篇3
随着微电子技术的发展, 小信号的处理在通信和信息处理领域被广泛运用, 宽带运算放大器广泛应用于A/D转换器、D/A转换器, 有源滤波仪、广播、电视、通信、雷达等电路中, 这些电路不仅要求放大器有宽带宽, 还要求具有较高的放大增益;因此宽带放大器应用十分广泛, 有非常好的市场前景。
2 系统总体设计
可调增益宽带放大器系统主要由:宽带放大模块、可调衰减器模块、显示模块、键盘模块四个部分构成。
2.1 宽带放大模块
由四个宽带放大器OPA820级联, 每级放大6倍, 在满足了放大倍数的同时保证了带宽。
2.2 可调衰减器模块
选用HMC624LP4芯片采取三级衰减器完成可控衰减, 每级衰减-0.5d B~-31.5d B可调, 调节精度-0.5d B。先将所有衰减器均衰减到极限, 再通过自动程控增益模块, 对衰减器的衰减参数进行释放, 得到需要的放大倍数。以上两部分采用间插级联方式实现, 如图1所示。
2.3 显示模块
设计选用MS128624r系列的LCD, 实时显示系统增益, 并可显示用户键盘定义的放大倍数, 方便用户使用与调整。
2.4 键盘模块
选用HD7279A芯片进行键值读取, 用SPI协议写入单片机, 单片机算出衰减器所需衰减参数, 用SPI协议发送给衰减器, 控制整体放大倍数, 得到正确的输出信号, 实现增益可调。
3 系统硬件设计
系统硬件总体框图如图2所示。
设计选用宽带放大器OPA820对信号进行放大。OPA820是单位增益稳定低噪声电压反馈运算放大器, 具有带宽高、单位增益稳定和输入噪声电压非常低等特点, OPA820适用低于6毫安供应电流和高输出电流, 在单位增益时, 能提供800MHz的带宽。OPA820为低功耗器件, 具有卓越的DC精度。OPA820特性曲线如图3所示;设计中采用四级放大, 每级放大6倍, 在保证电压放大幅度的同时, 保持了高带宽的性能。通过调节R3与R1的比值来调节放大倍数G, G=R3/R1。
衰减器设计选用HMC624LP4芯片。通过衰减器改变整体放大倍数从而实现放大倍数可调。如图4所示。
HMC624LP4是一个6位宽带集成电路数字控制衰减器。它适用于各种的RF和IF应用。双模式控制接口CMOS/TTL兼容, 并接受三线串行输入或6位并行输入。采用三线串行输入大大简化电路设计, 占用单片机资源少 (最少3线) , 完全免调试, 外围电路简单。HMC624LP4管脚如图5所示。衰减器HMC624LP能从-0.5d B衰减到-31.5d B, 6位数据操控衰减参数, 0x00对应衰减31.5d B, 0x3F对应衰减0.5d B。6位数据每加1衰减系数加-0.5d B, 其对应真值表如图6所示。
本设计采用三级衰减器级联的方式, 每个衰减器最大能够衰减-31.5d B, 三级能够满足衰减60d B, 并且保持其高带宽的性能。衰减器模块电路图如图7所示。
键盘模块设计选用HD7279A芯片。用户通过键盘输入放大倍数, 单片机读取键值, 将键值计算转换成衰减系数, 从而实现增益可调。
HD7279A是一款具有简单SPI串行接口的器件, 可直接驱动8位共阴式数码管 (或64个独立的LED) , 管理多达64键键盘, 单片即可完成LED显示和键盘接口的全部功能, 外围电路更简单。HD7279A与微处理器仅需4条接口线, 其中CS为片选信号 (低电平有效) 。DATA为串行数据端, 当向HD7279A发送数据时, DATA为输入端;当HD7279A输出键盘代码时, DATA为输出端。CLK为数据串行传送的同步时钟输入端, 时钟的上升沿表示数据有效。KEY为按键信号输出端, 该端在无键按下时为高电平;而在有键按下时变为低电平, 并一直保持到按键释放为止。HD7279与MCU的接口电路如图8所示。
单片机模块选用K60DN512ZVLQ10作为主控制器来操作键盘键值的接收, 衰减器系数的发送和液晶显示的发送。用主控制板上J10的输入输出口作为数据传送通道。
功率驱动输出模块选用TI的宽带功率放大器THS3001驱动, THS3001是一个电流反馈放大器, 它有420MHz的-3d B带宽和良好的带内平稳度。
4 小结
可调增益宽带放大器设计的特点在于将放大器和衰减器以间插级联方式连接, 通过一级放大接一级衰减的原则, 系统经过四级放大和三级衰减。这样的配置可以逐渐减弱系统的噪声, 调试过程中通过不断的参数修改, 实现系统分配格局和参数的最佳配置, 使系统的稳定性达到预期的效果。
系统测试仪器有示波器Agilest DSO7054A、直流稳压电源5V和9V、信号发生器Agilest N9310A、频谱仪Agilest N9320B等, 采用系统扫频的方式, 对系统进行扫频测试, 扫描波形如图9所示。
经过测试, 此系统在低频段误差小于2d B, 调整放大与衰减器的配置, 实现设定放大倍数, 波动较小;在高频段, 系统性能表现优良, 在突破上限100MHz之后依然可以正常工作, 实测上限截止频率提高至200MHz。
摘要：本设计以宽带放大电路、可调衰减电路为核心实现微小信号的宽带放大功能。系统主要由:宽带放大模块、功率驱动输出模块、衰减器模块和键盘显示模块四大部分组成。用K60DN512ZVLQ10作为系统主控MCU, 实现键盘键值的接收, 衰减器系数的发送和液晶显示的发送等功能;系统具有Av在0-60d B范围内可调, 工作频带0.3MHz-100MHz, 频带内增益起伏≤1d B等特点, 有较高的实用性。
关键词：可调增益,宽带放大,衰减器
参考文献
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[3]李志军, 沈非凡, 韩春晨.宽带放大电路设计[J].电子技术, 2013 (11) .
一种程控增益前置放大电路的设计 篇4
随着光电探测技术的发展及应用的日益广泛, 对弱信号处理能力要求更高。激光以其单色性、方向好、抗干扰能力强等优点, 其在激光探测、测距等领域得到广泛应用。激光探测系统通常由光学系统、光电探测器、低噪脉冲放大器等部分组成, 主要完成激光脉冲光电转换、信号放大及输出。由于激光脉冲窄, 频谱宽度宽, 光信号的动态范围大等特点, 要求前置放大电路具有带宽高、响应快、动态范围大, 低噪声等特点[1]。所以前置放大电路设计成为光电探测系统设计的重要内容。
1 光电探测器
光电二极管通常工作在两种模式:光伏模式和光电导模式。当测量精度比速度更重要时采用光伏模式。测量速度比测量精度重要时采用光电导模式。光伏模式下, 二极管零偏压, 没有暗电流, 线性输出, 低噪声, 更适用于线性小信号精密测量;光电导模式下, 二极管需要反偏电压, 有暗电流, 噪声大, 线性度较差, 但灵敏度高、响应快[2,3]。
对于本文设计的光电探测系统而言, 被检测光信号强度变化范围大, 同时要求快速响应等特点, 设计时采用光电导模式, 二极管反偏置以达到对光信号快速响应的要求。
2 前置放大电路
本文采用跨阻型放大器 (transresistance amplifier) 设计前置放大电路。如图1所示, 前置放大电路主要有光电二极管、低噪声放大器、反馈回路三部分组成。光电二极管将接收到的光信号通过光电转换为光电流信号, 由放大器将光电流信号进行放大输出, 反馈回路决定放大电路增益和稳定性, 通过改变放大电路反馈电阻RF的大小, 控制放大电路的增益。
图1中, IO为光电流, CD为光电二极管寄生电容, RF为跨导增益, CF为反馈电容。寄生电容、跨导增益、反馈电容等参数共同决定放大电路的频率响应。
2.1前置放大器
本文采用美国TI公司生产的一款低噪声单位增益集成放大器OPA656。该放大器具有单位增益稳定、增益带宽积为230MHz、低输入偏置电流 (2p A) 、低噪声输入电压噪声 (7n V/) 、等特点, 广泛用于宽带光电放大、ADC输入缓冲、CCD输出缓冲、采样和控制缓冲、带宽精密放大等领域[4]。
选用该集成运算放大器能够实现低输入电压电流噪声, 快速响应, 高带宽的要求。电路设计中, 为达到最大二阶巴特沃斯频率响应, 其反馈极点应设置为:
根据式 (1) 可得到反馈电容值。
-3d B带宽为:
下面分析放大电路噪声特性, 放大电路等效输入电流噪声为:
式 (3) 中, 为等效输入噪声电流;为放大器的反相输入电流噪声;为放大器的输入电压噪声;为二极管电容;4KT应等于1.6E-20J (温度在290K时) 。
电路设计中, 跨阻增益分别为50KΩ、10KΩ、1KΩ, 根据式 (1) 至 (3) , 计算不同增益情况下, 电路反馈电容、带宽及噪声如下:
从表1中可得该设计中噪声大于放大器自身噪声参数1.3 p A/, 该设计电路中噪声满足要求。
模拟输入信号选择开关
前置放大电路设计要满足输入动态范围大, 输出动态范围小, 高增益等要求, 需要根据信号强弱控制增益放大倍数, 使得输出信号大小保持在合适的范围内。本设计中采用模拟输入信号选择开关切换跨阻增益, 使得输出信号能够满足后端处理电路要求。
ADG704是美国Analog Device公司生产的4路模拟输入信号选择芯片, 其控制信号选择管脚为A0、A1, 通过A1A0组成不同的数字组合, 可以选通4路开关中的1路。该芯片具有很小的导通电阻 (2.5Ω) , 高带宽 (200MHz) , 开关导通截止时间短, 功耗低等优点, 广泛应用于电源系统、通信系统, 视频开关等方面。真值表如表2所示。
3 试验结果
增益控制设计思想:通过判断输出电压信号VO, 模拟开关ADG704选择不同跨阻, 实现对输出电压信号进行衰减, 保证输出信号始终在290m V-3V之间。当输出信号小于290m V时, 通过控制电路输入A1A0组合选择开关中的一个闭合, 选择电阻值较大的RF;无信号时, 控制电路输入A1A0组合选择50KΩ, 电路始终处于增益最大位置。当输出电压信号大于3V时, 控制电路输入A1A0组合, 依次选择电阻值较小的, 直至电路饱和输出电压3V。
试验主要验证, 输出处于临界点时, 模拟开关ADG704切换电阻后是否能够满足设定要求, 即反馈电阻为R1、R2、R3时, 保证输出电压信号范围始终在290m V-3V之间, 试验结果如下表3所示:
从表3可以看出, 增益电阻为50 KΩ, 输出达到2.96V时切换增益电阻为10KΩ, 输出信号幅值衰减5倍;增益电阻为10KΩ, 输出达到2.98V时切换增益电阻为1KΩ, 输出信号幅值衰减10倍;该放大电路能够检测到光电流信号范围为6μ-3m A, 输入信号动态范围为54d B, 输出信号的动态范围为20d B。
4 结论
本文从理论上详细分析了程控增益前置放大电路的特点及噪声特性, 并以其为指导以OPA656和ADG704为例, 设计测试了程控增益前置放大电路, 测试结果表明, 设计电路具有输出线性良好及结构简单的优点。该程控增益放大电路实现了大动态范围输入, 小动态范围输出的功能。对微弱光电信号检测系统前置放大电路的设计, 具有一定的参考意义。
参考文献
[1]安毓英, 曾晓东.光电探测原理[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2004.
[2]Narayan D T.Photodiode characteristics[Z].United States:UDT Sensors Inc, 2000.
[3]戈文杰, 喻杰奎, 胡强高, 江毅.微弱光信号检测系统的研究[J].光通信研究, 2013, 177 (3) :51-53.
可编程增益放大 篇5
可变增益放大器 (VGA) 可以实现对不同幅度输入信号进行放大, 广泛适用在磁盘读取驱动电路[1], 电视调谐器[2]等宽输入动态范围的系统中。在无线信号收发机的模拟前端和通讯AGC系统中, 同样起着至关重要的作用。常见的VGA形式多样。通过改变放大器等效跨导的方法, 即改变流入负载的信号电流大小来改变增益, 如Gilbert结构电路[3], 但其全差分的电路堆叠了多层管子, 限制了输出动态范围。可简单地改变输出电阻[4], 但此时输出节点是放大器的主极点, 输出电阻的变化将引起带宽大大变化。近来, 有不少电路构造指数规律VGA[5,6], 但电路相对复杂。本文针对某超外差电视中频接收机芯片中的前置可变增益放大器, 构造了一种由稳压源, VGA和控制电路组成的新电路结构。该电路从电源电压、动态范围、带宽等关键指标出发, 具有高增益, 大带宽等特点, 并保证了良好的线性度, 而且在控制电路设计中还考虑了噪声分配, 提高了电路信噪比。结构框图如图1所示。
1电路设计与分析
1.1 稳压电路
为了避免外界电源波动及温度变化对MOS管漏源两端电压的影响, 提高增益控制的准确性, 每级VGA设计配有独立的稳压源。稳压过程是一个负反馈过程, 利用调整管跨导的调节, 使输出维持在一定范围内, 如图2所示。
图2中Q1, Q2构成比较器, M3为调整管。当外界电源扰动或负载变化使Vout增大时, Vout的增加量通过电阻R2～R4取样得到, Vref-Vb1值下降, 比较器输出减小, 跨导gm3变小, 迫使Vout降低, 从而输出稳定的参考电压。工作时:
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为了消除放大器自激, 在电路中加上C1=C2=1.25 pF。C1跨接在放大器M3两端, 形成密勒补偿;C2在反馈回路中和R2并联, 形成超前补偿[7], 有效保证相位裕度大于45°, 提高反馈电路的稳定性。另外加大了调整管M3的尺寸, 使 (W/L) 3=10 (W/L) 1, 2, 保证其在最坏情况下极限参数都有充分的余量, 保证电路正常工作。
1.2 VGA电路
文献[8]简单采用多晶硅电阻和MOS管并联的结构, 利用栅压改变输出电阻值。为了提高线性度和可控性, 本文采用输出电阻和射极电阻并存结构, 分别并联上不同尺寸的管子P1～P5, N1～N6, 结构简化如图3所示。
图3中:
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电路工作时以N管为例:开始VC=0, 此时Vgs-Vth<0, 所有N管截止。当VC上升到刚好使0
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并联在射极, 使射极电阻Rs减小。当控制电压VC继续上升时, N1管才导通, Rs进一步减小。通过选择管子宽长比, 保证并联电阻Ron2
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VC增加时, N管逐个导通Rs减小, P管逐个截止RC变大, Av变大。因VC控制RC, Rs同时变化, 可实现在较小范围控制条件下实现较大输出动态范围变化。
1.3 控制电路
为了尽量降低噪声系数[9], 调整增益范围, 设计如下电路, 产生互延迟的控制电压V1, V2, 从第二第三级起控, 保证第一级处在较大增益处。如图4所示。
C1, C2分别经Q5, Q4充电使VC1=VC2=Vb=4 V, 当Iin>0时, 两路分别和由Q8, Q7构成的电流镜形成放电回路, 分流控制电容电压值。电容电压为:
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P1, P2组成电流镜给C1充电, 减小分流带来的影响, 使Iin很小时, V1能基本维持不变, 产生延迟作用。
电流镜如下:
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当Iin足够大时, 电容电压下降经二极管Q5, Q4箝位, 保持在0.7 V左右。为了控制输入电流在一定范围, 可以选择合适的电阻比值和电流镜大小。偏置部分电路未画出。
2版图设计和仿真结果
使用HSpice电路仿真软件在UMC 0.5 μm BiCMOS工艺库下仿真。在Vb=4 V下对控制电路进行直流分析, 图5为控制电压随输入电流大小变化关系图。从图中可看出, 无放电回路时C1, C2充电在Vb=4 V, 当0
要求增益不大时, 由二三级调节可得, 当增益要求更高时, 第一级起控, 以此加大放大器总增益范围, 达到宽范围调节的目的。增益在66 dB范围内具有良好的线性度, 见图6。
图7为电路在5种不同输入电流时的频率响应。当输入电流为0时, 放大器处在最大增益处66 dB;输入电流增加, 控制电压减小, 增益减小;当输入电流超过60 μA时, Av下降到0 dB左右。总增益变化和输入电流成反比。噪声系数仿真不超过28 dB。
增益分配[10]对接收机来说很关键, 设计要求最大增益为60 dB。本文采用三级差分放大器串联组成, 每级控制范围20 dB左右, 最高66 dB, 最小带宽为15～88 MHz, 满足设计指标, 见表1。
3结语
本文针对某中频接收机芯片设计需要, 提出一种宽范围VGA电路, 通过控制和稳压模块, 进一步提高增益动态范围和电路稳定性。仿真结果表明放大器在70 μA控制条件下实现66 dB的增益线性宽范围调节, 性能满足指标, 可投入实际生产。在其他宽范围VGA应用场合, 此电路同样适用。
摘要：基于栅压控制MOS管等效电阻实现放大器输出电阻和射极电阻同时改变的原理, 构造一种新型可变增益放大器, 通过控制电路和稳压电路提高了增益动态范围和电路稳定性。采用UMC0.5μm BiCMOS工艺, 使用HSpice软件仿真, 结果表明该放大器可在070μA的较小控制电流下实现增益在066dB宽范围内连续变化, 带宽超过73MHz, 具有良好的线性度。
关键词：可变增益放大器,延迟式控制,BiCMOS,宽动态范围
参考文献
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可编程增益放大 篇6
随着微电子技术、通信技术的发展,人们迫切地要求能够远距离随时随地迅速而准确地传送多媒体信息。于是,无线通信技术得到了迅猛的发展,技术也越来越成熟。而宽带放大器是上述通信系统和其它电子系统必不可少的一部分。由此可知,宽带放大器在通信系统中起到非常重要的作用,于是人们也对它的要求也越来越高。
高增益宽带放大器在科研中的重要作用也越来越突出。宽带放大器广泛应用于信号处理、视频放大器、A/D转换器、D/A转换器等电路。例如在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。这些电路不仅要求放大器有宽带宽,还要求具有高的放大增益。因此宽带放大器应用十分广泛,有非常好的市场前景。
2 系统总体设计
系统主要由多级模拟放大模块、单片机控制显示模块和电源模块构成。系统框图如图1所示。模拟放大电路采用多级放大电路级联而成,第一级是增益和宽带均可调的前置放大电路,用高速运算放大器OPA820ID作放大芯片,由MSP430F1611单片机控制模拟开关,实现八种不同增益的选择控制。第二级放大电路仍OPA820ID构成,主要实现调节带宽的功能。第三级放大电路采用THS3091芯片,实现功率放大功能。经过三级放大后的峰峰值反馈回MSP430F1611,通过单片机的AD转换模块,实现对信号的电压峰峰值和有效值的测量,并在YM12864液晶屏显示其峰峰值和有效值等参数。
3 硬件设计
3.1 前置放大电路模块
系统第一级放大电路选用高速运算放大器OPA820ID。该芯片带宽增益积很高,低噪声,电路稳定性好。
该模块的供电电路有两种方案:一种是采用单电源供电,经实验验证,单电源供电所得到的波形不稳定,放大效果不理想;另一种是采用双电源供电,经实验可知,能够达到比较好的放大效果,而且波形比较稳定,最终采用双电源供电。
该放大电路可实现八种不同的增益值,由单片机控制模拟开关实现增益的控制选择。其中输出端串接了一个50欧姆的电阻,使前级输出阻抗匹配后级输入阻抗,提高电路运放的稳定性。电路图如图2。
由数据手册可知:当R2/R1=RF/RG时,Vo=RF/RG*V1。因此只要改变电阻的参数就可以获得相应的放大倍数。
3.2 中间级放大电路模块
本系统要求较高的增益,为了满足这一要求,我们仍然选用高增益带宽积的芯片OPA820ID,与第一级所用电路类似,采用双电源控制,改变其中的电阻阻值即可。而且该电路集成度高,低噪声,工作稳定,抗干扰能力更强,易于控制。
根据公式,我们把R1和RG设置成1K欧姆,R2和RF设置成10K欧姆,可使该电路达到10倍增益的效果。电路图如图3所示。
3.3 功率输出放大电路模块
功率输出放大电路采用THS3091芯片。经过实验验证,采用双电源供电电路较稳定。该级放大电路主要实现功率放大的功能,为两倍放大效果。反复论证后,采用如下电路和电阻阻值,该电路稳定好,低噪声,易于控制。具体电路如图4。
3.4 电源模块
电源模块电路采用DCV010515芯片,生成正负15V电压给功率放大级电路供电。然后通过LM317芯片把正负15V电压转换成正负5V电压,给第一和第二级供电。采用DCV010515芯片,电路比较简单,易于控制。电路图如图5和图6。
3.5 单片机控制显示模块
3.5.1 最小系统模块
此系统由MSP430F1611单片机、YM12864液晶显示屏、4×4键盘组成。用YM12864液晶显示屏显示,提供了串行和并行两种数据传送模式,直观方便,人机交互功能好;键盘采用简单的4输入扫描、4输出方式,由P5口及P6口实现。
3.5.2 模拟开关设计
为了实现增益可调,我们用MSP430F1611单片机控制芯片SN74LV4051调节出八个档位,每个档位实现不同的增益,经过计算和反复试验,确定出八个档位的电阻阻值。
4 软件设计
软件设计以MSP430F1611为核心,主要完成键盘输入、LCD显示、AD采样测量放大电路峰峰值等功能。程序流程图如图7。
系统初始化并确定好各引脚的功能后,显示主菜单,通过不断地对键盘扫描获取输入,并根据当时显示屏的菜单状态操作相应的功能:峰值测量和增益选择。AD采样使用MSP430自带的AD模块测量,增益选择是通过单片机控制模拟开关来选择不同的电阻值来实现的。
5 整体测试方案与调节
5.1 测试方案
实验测试条件为室温28摄氏度、5V单电源。采用的测试仪器有60MHz的Textronix TDS1002B数字示波器,20MHz的NDY EE1643型函数信号发生器/计数器,HUAPU HP36A万用表。
5.2 相关测试数据与分析
在前置放大电路中,先用模拟开关调节R2和RF的阻值到5.1K,按照理论计算放大倍数约为100倍。在测试过程中,先没有加入50欧姆的负载,由于输入阻抗的衰减,信号幅度变小,所以在测量时用两路通道,可以直观的看出输入和输出信号的变化,输出的信号的峰峰值是近似是输入的信号的峰峰值的100倍。测量出来的输入波形有较多的毛刺,有时还会失真,但是放大后输出的波形比输入波形毛刺更少,更平坦,也不失真,这说明我们的电路在一定程度上可以消除噪声,而且效果不错。波形在频率达到5MHz的时候波形下限有点失真,但是继续增大频率失真情况变好,有点小波动。测量数据如表1。
在接上电源后,第三极放大电路中的芯片THS3091有些发烫,但是没有损坏,仍能正常工作。
接上50欧姆的阻性负载后,比空载时情况改善很多,频率低于20Hz时波形也没有失真,但是由于负载衰减造成电路的放大倍数达不到预期的效果100倍,但是可以通过调节R2和RF的阻值来实现放大100倍的效果。测量时测量数据如表2。
从表1和表2可知,测量时带内波动不大。虽然超过10MHz后,放大效果没有之前好,但是波形还行,失真也不大,由此可见,电路带宽比较大。由于所用的芯片都是低噪声的,在选用电路和连接电路时比较好,最后输出的噪声有很大的改善。
6 结论
本系统的功能基本上能够实现电压和电流的放大功能。电路比较简单,易于控制,抗干扰能力强,性价比高。系统具有宽频带、低噪声、高增益、性能稳定等特点。
参考文献
[1]华成英,童师白.模拟电子技术基础[M].5版.北京:高等教育出版社,2006.
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[4]曾繁政.基于AD603的可控直流宽大放大器[J].大众科技报,2010(4).
可编程增益放大 篇7
由于AD9852的输出信号是直接通过其内部的余弦DAC进行输出的, 其输出信号的幅度较小且高频噪声较大, 因此需要通过一个120MHz的三级椭圆低通滤波器将高频噪声滤除后输出给AD8370。在电路中, 将AD8370的输入设计成差分输入方式, 以更好地消除偶次谐波, 并增大共模抑制比。输入端的1μF电容用以隔离信号中的直流成分, 同时该电容与AD8370的输入等效电阻到地, 形成一个高通滤波器, 可有效滤除低频噪声。AD8370的增益控制码可根据公式计算得出, 其中:Av是所要的电压增益, GainCode为控制码, 取8位二进制代码中的低7位, 第8位即MSB为1时表示采用高增益范围。当信号频率为2MHz时需要将增益控制码设置为10001101即12.6dB, 当信号频率为100MHz时, 增益控制码则调整为11001100即29dB。该增益控制码可由ARM单片机LM3S3749根据DDS的输出信号的相关幅度, 通过公式计算出来后通过PE2口, 写入AD8370的DATA端。
为了提高输出信号的共模抑制比, 减小偶次谐波畸变, 将AD8370的信号输出端设计为差分输出方式。由于作为信号源只能在石英晶片的一端施加信号激励, 因此在差分信号输出端设计了一个宽带集成运算放大器, 可将双端差分信号转换为单端信号输出。由于AD8370的信号输出增益受到外接负载电阻的影响与理论计算值产生一定的偏差, 该偏差可按照公式:计算得出。在本电路中, AD8370的输出负载近似等于100Ω, 代入该公式计算得出增益偏差为1, 因此无需对增益控制码进行调整。
为了防止高频信号的窜扰对供电电路的影响, 在印制电路板设计时, 需要将去耦磁珠紧靠着AD8370的输入端电源和输出端电源的引脚处放置, 以防止高频信号通过电路引线耦合到芯片内部, 同时100pF和0.1μF旁路电容将高频信号进行对地旁路。
参考文献
[1]Analog Devices, Inc.AD8370data sheet[EB/OL]http://www.analog.com2011.12