數(shù)控放大器

一 、引言

隨著可變增益放大技術(shù)的不斷發(fā)展,它在自動測控、智能測控、智能儀器儀表等重要領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛?？勺冊鲆娣糯笃鞯脑鲆娓淖兎绞街饕腥斯?(或機械) 和程控兩大類(后者一般借助μP) ,具體方法有多種,每種方法各有其優(yōu)點和局限性。從理論上講,改變集成運算放大器(運放) 的反饋電阻或輸入電阻,即可改變放大器的增益。但簡單地改變反饋電阻或輸入電阻所得到的可變增益放大器,往往并不具備理想的性能,有的根本不能正常使用。

二．方案論證與比較

方案一、利用場效應(yīng)管的可變電阻區(qū)改變反饋電阻

圖2場效應(yīng)管特性曲線

由圖2場效應(yīng)管特性曲線可以看出，UDS小于1V，UGS不變時，ID隨UDS的增加而增加，與電阻特性一致，并且UGS改變時ID—UDS曲線斜率跟著改變。也就是說，場效應(yīng)管可以用作受UGS控制的壓控電阻。該方案是將場效應(yīng)管接入運放的T型反饋網(wǎng)絡(luò)，使運放的等效反饋電阻隨場效應(yīng)管DS間電阻的變化而變化，電路如圖3所示。

圖3 利用場效應(yīng)管的數(shù)控放大器

數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號，輸出通過分壓接到場效應(yīng)管門極（G）。場效應(yīng)管的源極（S）和漏極（D）間的電阻變化引起反饋電阻變化，繼而引起放大器放大倍數(shù)的變化。

T型電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電阻是：

由上式看出，該方案的缺點是：當(dāng)RT增加時放大倍數(shù)A會減小，而RT線性變化時，放大倍數(shù)A不是線性變化的?？刂齐妷壕€性變化時，放大倍數(shù)不是線性變化。要得到線性變化的放大倍數(shù)，需要較復(fù)雜的軟件支持。

方案二、用集成多路模擬開關(guān)改變電阻

用不同阻值的固定電阻,通過集成多路模擬開關(guān) (如CD4051 等) ,將其分別接入運放的輸入回路,以此來達到改變輸入電阻的目的,從而實現(xiàn)對信號的放大或衰減,即改變放大器的增益,其原理如圖5 所示。

圖5 　用集成多路模擬開關(guān)構(gòu)成的程控增益放大器

用集成多路模擬開關(guān)構(gòu)成程控增益放大器,還有一種常用的方式,即用數(shù)個運放分別接成同相輸入深度負反饋放大器后串聯(lián)成多級同相放大器,再用模擬開關(guān)控制各運放單元反相輸入端外接電阻與公共地端的通、斷狀態(tài),進而控制放大器的增益。

上述方式的主要缺點是模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻影響放大器的增益,影響信號的傳輸精度。

以CD4051 為例,測試發(fā)現(xiàn),CD4051 的導(dǎo)通電阻RON隨電源電壓和輸入模擬電壓的變化而變化。當(dāng)V DD = 5 V、V EE = 0 V 時, RON≈280Ω ,且隨V i 的變化突變;當(dāng)V DD > 10 V、V EE = 0 時, RON≈100Ω ,且隨V i的變化緩變?？梢?/span>,適當(dāng)提高CD4051 的VDD有利于減小RON的影響,但應(yīng)同時相應(yīng)提高選通控制端A、B、C的輸入邏輯電平。如V DD = 12 V ( V EE = 0 V) ,可采用電源電壓上拉箝位的辦法,上拉電阻的阻值取1. 5 kΩ以上,使選通控制信號的有效高電平不低于6 V. 這樣既保證CD4051 理想導(dǎo)通( RON小) ,又實現(xiàn)了CMOS電平與TTL 電平之間的轉(zhuǎn)換(μP 一般為TTL 電平) ,也可以選用性能更優(yōu)的模擬開關(guān)。也可以用微繼電器作為切換開關(guān),再用CD4051 去控制微繼電器動作。因微繼電器的接通電阻很小(一般在mΩ 量級) ,故可從根本上克服上述缺點。還可以直接由μP 去控制微繼電器,但這樣占用μP 口線較多,還要在μP 與微繼電器之間加驅(qū)動電路。

方案三、程控衰減

運放的輸入或輸出信號幅度的電路如圖6 所示,由電阻R1～ R9 和模擬開關(guān)CD4051 組成無源衰減網(wǎng)絡(luò),在網(wǎng)絡(luò)之前或之后接上固定增益的放大器,利用μP 程控衰減放大器的輸入或輸出信號幅度,同樣實現(xiàn)了程控放大的目的。圖中使用了由通用運放LM747構(gòu)成的兩個電壓跟隨器,以隔離網(wǎng)絡(luò)對前、后級的影響。若輸入信號弱,應(yīng)先放大后衰減;反之,應(yīng)先衰減后放大。

圖6 　程控?zé)o源衰減網(wǎng)絡(luò)

該電路的優(yōu)點是無論CD4051 的選通控制端如何設(shè)置,放大器都不會處于開環(huán)狀態(tài),缺點仍是CD4051的導(dǎo)通電阻影響放大器的增益。

方案四、 利用DAC內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)作為運放的反饋電阻

為了易于實現(xiàn)最大60dB增益的調(diào)節(jié)，可以采用D/A芯片AD7523的電阻權(quán)網(wǎng)絡(luò)改變反饋電壓進而控制電路增益。又考慮到AD7523是一種廉價型的8位D／A轉(zhuǎn)換芯片，其輸出Vout=Dn×Vref/2⁸，其中Dn為8位數(shù)字量輸入的二進制值，可滿足2⁸=256擋增益調(diào)節(jié)，滿足題目步進0. 25db的精度要求。它由CMOS電流開關(guān)和梯形電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)簡單、精確度高、體積小、控制方便、外圍布線簡化等特點，故可以采用AD7523來實現(xiàn)信號的程控衰減。但由于AD7523對輸入?yún)⒖茧妷篤ref有一定幅度要求，為使輸入信號在mV～V每一數(shù)量級都有較精確的增益，最好使信號在到達AD7523前經(jīng)過一個適應(yīng)性的幅度放大調(diào)整，再通過AD7523衰減后進行相應(yīng)的后級放大，并使前后級增益積為60dB，與AD7523的衰減分母抵消，即可實現(xiàn)程控放大。

三、系統(tǒng)設(shè)計

1、 系統(tǒng)設(shè)計與總體流程如圖1：

2．根據(jù)題目的要求，經(jīng)過仔細分析，充分考慮各種因素，制了整體的設(shè)計方案： DA轉(zhuǎn)化，控制放大器的增益，

電流輸出型DAC 內(nèi)含R - 2 R 電阻網(wǎng)絡(luò),可以作為運放的反饋電阻或輸入電阻,在DAC 輸入數(shù)據(jù)的控制下,實現(xiàn)放大器增益的程控改變。

用單片集成單DAC ,如AD7523等,作為運放的可變反饋電阻。具體電路如圖4 所示,圖中的運放為通用運放LM324 , A1 起緩沖作用。該放大器的增益

A v = A v =V o/V i= -1/N        (3)

式中N 為DAC 的數(shù)字輸入量。

AD7523 ( 8 位) 的A v 的范圍為256/ 255 ～ 256  。因AD7523的基準(zhǔn)輸入端(15 腳) 和反饋端(16腳) 可輸入正、負兩種極性的電壓, 故可用交流信號輸入作為交流放大器,此時宜選用頻帶較寬的運放,如LM733 、μA771 、AD507 、OPA606 等,但必須注意失調(diào)調(diào)零,避免在大增益時出現(xiàn)直流飽和。

圖4 　用單DAC 構(gòu)成的程控增益放大器

AD7523構(gòu)成的可編程增益放大電路

可編程增益放大電路可對模擬信號進行放大、轉(zhuǎn)換、濾波，并能把器件中的多個功能模塊互聯(lián)，對電路進行重構(gòu)，還可調(diào)整電路的增益、帶寬和閾值。如圖所示是采用A／D轉(zhuǎn)換器AD7523構(gòu)成的可編程增益放大器。電路由8位數(shù)據(jù)來控制增益，使增益在1～256范圍內(nèi)變化， AD7523片內(nèi)有模擬開關(guān)和R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)，額定阻值為5～20kΩ，中心值為10kΩ。若從RFB端直接輸入信號，側(cè)輸入電阻很低，所以在前面接入緩沖放大器Al，起到倒相的作用。若從Al的同相端輸入，則可得到同相信號。對于可變增益放大器，若增益高，則失調(diào)電壓大，因此需要對運放進行準(zhǔn)確調(diào)零，尤其要注意Al的輸出。在RFB端串聯(lián)電位器RP2進行增益的校準(zhǔn)。運放A2由于負反饋可變，設(shè)定增益越大，閉環(huán)頻率響應(yīng)越壞。需要選用增益可變范圍窄或開環(huán)頻率特性好的運放。對于小功率或精密運放，因為犧牲了交流特性，所以當(dāng)輸入幾千赫茲以上的信號時應(yīng)予以注意。