1 引言
隨著微電子技術的發展，寬帶放大器在科研中具有重要作用。寬帶運算放大器廣泛應用于A／D轉換器、D／A 轉換器、有源濾波器、波形發生器、視頻放大器等電路。這些電路要求運算放大器具有較高的頻帶寬度，電壓增值。為此，以可編程增益放大器THS7001和可變增益放大器AD603為核心，設計一種可編程寬帶運算放大器。該電路增益調節范圍為-6～70 dB，步進間距為6dB，AGC為60 dB，-3 dB通頻帶為40 Hz～15MHz。矩陣鍵盤設置增益值、步進，點陣液晶顯示實時電壓有效值，人機界面友好，操作簡單方便。
2 系統總體設計方案
該系統主要由可控增益放大器、功率放大與峰值檢波、單片機顯示和控制3大模塊組成。其中可變增益放大器以THS7001和AD603為核心。單片機控制THS7001實現增益粗調，并通過D／A轉換控制AD603實現增益細調，從而使總增益在- 6～70 dB的寬頻帶范圍內線性變化。前置放大器采用由寬帶電壓型反饋運放THS4011構成的射極跟隨器，可有效提高輸入電阻；后級功率放大器采用電流型反饋運放AD811，提高系統帶負載能力。由二極管峰值檢波電路測量峰值，并通過A／D轉換、D／A轉換實現自動增益控制。通過鍵盤手動預置增益值，LCD實時顯示預置增益值并輸出有效值。其系統總體設計框圖如圖1所示。
3 器件選型及理論分析
3．1 輸入級電路運放選型
由于該電路噪聲主要取決于第一級放大器。所以選擇第一級運放成為決定噪聲大小的關鍵。電壓反饋型(VFB)運算放大器具有同相和反向輸人端阻抗基本相同(均為高阻)，低噪聲，更好的直流特性，增益帶寬積為常數。反饋電阻的取值自由等特點：而電流反饋型(CFB)運算放大器則具有同相輸入端為高阻阻，反向輸入端為低阻抗，帶寬不受增益影響，壓擺率更快，反饋電阻的取值有限制等特點。由此看出，CFB放大器適用于那些需要壓擺率快、低失真和可設置增益而不影響帶寬的電路；而VFB放大器則適用于那些需要低調電壓、低噪聲的電路。因此選用電壓反饋型運放THS4011作為前級輸入。THS4011是一款高速低噪聲運算放大器，其帶寬為290 MHz，壓擺率為310 V／μs，輸入噪聲為
。
4．2 峰值檢波電路
峰值檢波電路由二極管電路和電壓跟隨器組成。其工作原理：當輸入電壓正半周通過時，檢波管 VU2導通，對電容C1、C2充電，直到到達峰值。三極管的基極由FPGA控制，產生1Oμs的高電平使電容放電，以減少前一頻率測量對后一頻率測量的影響，提高幅值測量精度。其中Vu1為常導通，以補償VU2上造成的壓降。適當選擇電容值，使得電容放電速度大于充電速度，這樣電容兩端的電壓可保持在最大電壓處，從而實現峰值檢波。
該電路能夠檢測寬范圍信號頻率，較低的被測信號頻率，檢波紋波較大，但通過增加小電容和大電容并聯構成的電容池可濾除紋波。而后級隔離，則增加由OPA277構成的射極跟隨器，如圖3所示。
5 系統軟件設計
5．1 程序部分設計
系統軟件設計遵循結構化和層次化原則，由一個主程序及若干子程序構成。主程序通過調用子程序控制子程序間的時序，從而使整個程序正常運行。系統軟件設計部分由單片機和FPGA組成。單片機主要完成讀取鍵值、控制增益和顯示功能。而FPGA則作為總線控制器，管理鍵盤、液晶和A／D轉換器與單片機之間的數據交換。以Ouartus II 7．2為設計環境，用Verilog HDL硬件描述語言編程，完成各功能模塊的設計，并仿真測試設計好的各個模塊，再將各個模塊相互連接。程序以按鍵中斷為主線，以各項功能為分支，圖4為程序流程。
5．2 FPGA部分設計
FPGA主要完成A／D、D／A轉換器的串并轉換。采用12位D／A轉換器TLV5618，該器件是串行接口，大大節約系統端口資源，但MCU的P0、 P2端口是并行口，與串行器件的時序匹配較復雜，用靜態口P1端口模擬串行口時序又會占用MCU很多處理時間，影響系統效率。
為使MCU對串行器件操作簡單，把串行時序在FPGA中用狀態機描述，同時該控制狀態機又對MCU提供P0口、CS、WR的微機標準時序接口形式，這樣MCU只需選中相應地址，就可寫入所要得到的電壓數據，狀態機會完成串并轉換。
以串行接口時序將數據寫入器件并鎖存，與寫IO端口操作一樣簡單方便，而D／A轉換器模塊的輸出端既可得到相應輸出電壓，又達到控制增益的目的。
AGC部分采用循環結構，將A／D轉換采樣得到的數據與預設值循環相比較，再通過D／A轉換控制增益倍數，從而實現自動增益控制。
6 測試方案及測試數據
該系統使用專門的測試儀器，包括單片機仿真器、雙蹤示波器、PC機、多功能函數信號發生器和交流電壓表等。調節輸入信號的幅值和頻率，結合示波器，測試寬帶放大器的增益范圍以及通頻帶。測試結果表明，寬帶放大器總增益調節范圍為-6～70 dB。-3 dB通頻帶為40 Hz～15 MHz。將輸入信號頻率同定，改變輸入電壓幅值。記錄輸入電壓和輸出電壓的最大值和最小值。結果表明，AGC動態范圍大于60 dB。將輸入端短接，設置不同的電壓放大倍數，測量輸出電壓。結果表明，輸出電壓噪聲小于300 mV。
7 結束語
寬帶放大器以可編程增益放大器THS7001和可變增益放大器AD603為核心，利用數字技術實現增益的步進和預置。總增益范圍為-6～70 dB，通頻帶為40．Hz～15 MHz，AGC動態范圍達到60 dB。前置放大器采用低噪聲電壓反饋型運放THS4011，大大提高輸人電阻。后級功率放大采用電流型反饋運放AD811，有效提高系統的帶負載能力。系統采用多種抗干擾措施，并結合軟件修正，實現較高的精度，具有良好的噪聲，線性性能以及較低的功耗。系統界面友好，操作簡單，經測試已投入應用。