高频信号放大及控制电路的制作方法

文档编号:14478121
研发日期:2018/5/19

本实用新型涉及一种高频信号放大及控制电路,属于控制电路领域。
背景技术
:信号放大器可大致分为四大类。根据所用器件不同,分为晶体管放大器、场效应管放大器和集成电路放大器;根据频谱宽度的不同,分为窄带放大器和宽带放大器;根据电路形式的不同,分为单级放大器和级联放大器;根据不同负载的不同性质,分为谐振放大器和非谐振放大器。高频小信号放大器一般用在通信系统中的接收机中。例如,在新型数字式超声声功率计的研制过程中,需要一个小信号放大器用以对传感器将待测超声信号转换而来的电信号进行放大;为了实时测量出近钻头处的钻井参数,就需要一个能有效抑制噪声的放大器;对于高速破片参数的测量需要设计的放大电路具有低噪声、高响应速度的特性的同时还要有好的选择性。高频放大是信号传输电路中的核心部分,理论简单,但实际设计起来并不简单。最经常出现的问题是自激震荡,难以实现各级的阻抗匹配和频率选择,这就必须考虑阻抗匹配电路及匹配电路和级间耦合电路对系统电路的影响。目前,对高频小信号放大电路的研究集中在用分立元件设计放大电路、使用集成电路运算放大器设计电路以及用谐振回路来设计的放大电路。一个利用分立元器件和全集成电路来设计的程控放大器,由高频差分放大器LM733、场效应管3DJ7K、数模转换器DAC1210组成,该放大电路可以实现100dB的增益,频率范围为2.5~7.5MHz,输入小信号电压为10mV~4.5V。而针对小信号谐振放大器的研究现在已比较成熟,广泛应用于各种通信系统中。小信号谐振放大器利用谐振回路作为负载。其中,晶体管可以用NPN高频大功率晶体管2N2222A,选取LC谐振回路作为晶体管的负载可以起到选频滤波的作用,设计完成的LC谐振功率放大器的增益可达60dB,中心频率为15MHz,还有用OPA355作电压跟随器,LM317作稳压电源用来设计的高频小信号LC谐振放大器。2011年,一个实用新型专利研究的一种高频小信号放大电路,主要是用来检测OLED/TFT-LCD的电性能,该放大电路由三个共射极组态的晶体管和一个LC谐振电路组成,能够实现1000倍的放大且带宽小于300kHz。2014年,又出现了一种高频跨阻放大器,当某一频率的高频电压进入到该放大器时,通过电路中多个共射极组态的晶体管放大和并联谐振回路的选频作用,信号被放大1000倍以上,且放大器的带宽小于300Hz,这个放大器相比于之前单调谐回路谐振放大电路具有高增益、窄带宽的优点,并且该放大器采用的还是单电源供电。而后又有一个针对测量高速破片参数的高频小信号放大电路被设计出来,该放大电路的前置放大级用运算放大器OP07作为核心器件,其中,运算放大器OP07本身是高频响、低噪声的;主放大器用运算放大器OP27作为核心器件,其中,运算放大器OP27本身是高精度、高增益的,总体电路的放大增益是93dB,频率响应速度快,能很好地放大100kHz及以上的高频小信号。可以看出,现在放大器的设计要求主要是功率增益要足够,放大器的噪声要小,工作要稳定,自激震荡要消除,阻抗要匹配等。在上述提到的高频信号放大电路中,仍有一些未解决的问题存在:(1)有些以分立元件为主的高频放大器,单个晶体管的最高工作频率可以很高,线路也较简单,但是现有的设计方法需要大量复杂的运算,且对放大电路部分输入、输出匹配电阻的确定需应用作图方法来确定,硬件设计结束才可测定指标,设计中不易保证电路设计的可靠性。(2)现有的采用集成电路运算放大器设计的放大电路不能很好地解决阻抗匹配以及增益可调等问题。(3)通过无线电接收到的信号包含了有用信号、信号干扰和噪声,放大器输入电路的功能是筛选出有用的信号,滤除噪声和干扰,但是现有的技术还无法在可变增益、大负载的情况下很好的解决低噪声、低失真等问题。。技术实现要素:本实用新型的目的在于提供一种具有阻抗匹配、高共模抑制比、高增益、小的失调和飘移且结构简单、操作方便的高频信号放大及控制电路。为达到上述目的,本实用新型提供如下技术方案:一种高频信号放大及控制电路,其特征在于,所述高频信号放大及控制电路包括前级电压放大电路、中间级程控放大电路及后级功率放大电路,所述前级电压放大电路接收高频微弱信号并经过匹配阻抗和噪声抑制后输送至所述中间级程控放大电路,所述中间级程控放大电路将由前级电压放大电路处理过的高频微弱信号经压控增益后输送至后级功率放大电路,所述后级功率放大电路经由中级电压放大电路处理后的高频微弱信号经过功率放大后输出高频放大信号。进一步地,所述前级放大电路采用具有关断状态的宽带超低噪声电压反馈型运算放大器,所述具有关断状态的宽带超低噪声电压反馈型运算放大器具有第一信号输入端和第二输入信号端,所述第一信号输入端串接电阻后接地,所述第二输入信号端通过屏蔽线与信号源连接。进一步地,所述中间级程控放大电路采用宽带和线性可变增益放大器,所述宽带和线性可变增益放大器的个数不少于两个。进一步地,所述高频信号放大及控制电路还设置有DA增益控制电路及控制器,所述宽带和线性可变增益放大器的VG引脚与所述DA增益控制电路的输出信号连接,所述DA增益控制电路与所述控制器信号连接,所述控制器通过DA增益控制电路控制所述宽带和线性可变增益放大器的电压以改变所述宽带和线性可变增益放大器的增益。进一步地,所述DA增益控制电路采用12位四通道电压输出数模转换器MCP4728。进一步地,所述控制器为ATmega128单片机,所述ATmega128单片机的PB0~PB3引脚与所述数模转换器MCP4728的SCL及SDA引脚分别信号连接。进一步地,所述后级功率放大电路采用单路高压低失真直流反馈型运算放大器,所述单路高压低失真直流反馈型运算放大器具有输入端和输出端,所述输入端上串接有阻抗电阻,所述输出端上串接有阻抗电阻。进一步地,所述高频信号放大及控制电路还设置有给所述前级电压放大电路、中间级程控放大电路、后级功率放大电路、DA增益控制电路及控制器供电的电源电路。进一步地,所述电源电路采用具有集成高边MOSFET的3A降压稳压器。本实用新型的有益效果在于:本实用新型的高频信号放大及控制电路通过运算放大器自带的噪声抑制、宽带、低失真且增益线性可变,能够直接有效的达到放大及控制高频信号的效果;通过选用集成电路运算放大器,使得该电路具有可靠性和灵活性,同时降低成本且结构简单,使用方便。上述说明仅是本实用新型技术方案的概述,为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段,并可依照说明书的内容予以实施,以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明图1为本实用新型的高频信号放大及控制电路的系统框图。图2为图1中的前级电压放大电路的结构图。图3为图1中的中间级程控放大电路的结构图。图4为图1中的后级功率放大电路的结构图。图5为图1中的DA增益控制电路的结构图。图6为本图1中的控制器的结构图。图7为图1中电源电路的关系曲线图。具体实施方式下面结合附图和实施例,对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型,但不用来限制本实用新型的范围。请参见图1,本实用新型的高频信号放大及控制电路的一较佳实施例包括前级电压放大电路1、中间级程控放大电路2、后级功率放大电路3、DA增益控制电路5及控制器4。所述前级电压放大电路1接收高频微弱信号并经过匹配阻抗和噪声抑制后输送至所述中间级程控放大电路2,所述中间级程控放大电路2将由前级电压放大电路1处理过的高频微弱信号经压控增益后输送至后级功率放大电路3,所述后级功率放大电路3经由中级电压放大电路2处理后的高频微弱信号经过功率放大后输出高频放大信号。其中,所述前级电压放大电路1采用具有关断状态的宽带超低噪声电压反馈型运算放大器,所述中间级程控放大电路2采用宽带和线性可变增益放大器,所述后级功率放大电路3采用单路高压低失真直流反馈型运算放大器。在本实施例中,所述具有关断状态的宽带超低噪声电压反馈型运算放大器为ADA4895-1运算放大器,所述宽带和线性可变增益放大器为VCA821运算放大器,所述单路高压低失真直流反馈型运算放大器为AD8001放大器。所述VCA821运算放大器的VG引脚与所述DA增益控制电路5信号连接,所述DA增益控制电路5与所述控制器4信号连接,所述控制器4通过DA增益控制电路5控制所述VCA821运算放大器的电压以改变所述VCA821运算放大器的增益。所述高频信号放大及控制电路还设置有电源电路6,所述电源电路6给所述前级电压放大电路1、中间级程控放大电路2、后级功率放大电路3、DA增益控制电路5及控制器4供电。请结合图2,前级电压放大电路1的作用是阻抗匹配和抑制噪声,所以信号输入端P1加了50欧姆的R1电阻接地来进行阻抗匹配,又使用屏蔽线连接信号源和输入端P1,来达到阻抗匹配和抑制噪声的作用。该电路本身具有高信噪比,并尽量减少噪声的带入,在总电源入口端除了采用大电容进行滤波外,还在芯片的电源入口处加了10μF和0.1μF的电容进行滤波,其中C1=C3=0.1μF,C2=C4=10μF。在电路中加入R2和R3,并使R2=39Ω、R3=430Ω,将其配置成12倍的放大倍数,并在输出端串入保留电阻R5和阻抗电阻R4,使得信号放大,其中R5=R4=50Ω,保留电阻R5为断开状态。信号从输入端P1端输出,由输出端口P2输出。请结合图3,中间级程控电路2的作用是压控增益,用两个VCA821运算放大器进行级联使其成为两级压控增益电路。在±VCC处分别接入10μF和0.1μF的电容进行滤波,其中C5=C7=10μF,C6=C8=0.1μF。第一个VCA821运算放大器的+VIN接信号输入端口J1,还接了一个50Ω的阻抗匹配电阻RS1,+RG引脚与-RG引脚中间通过一个200Ω的RG1电阻连接,FB接了一个1K的电阻和VOUT并联再经过RS3接第二级VCA821的+VIN输入端,VREF接RS4再接地。第二个VCA821的+RG引脚与-RG引脚中间通过一个200Ω的RG1电阻连接,-VIN引脚接RS6再接地,FB接1KΩ的电阻再和VOUT相连接信号输出端口,VREF接RS5再接地,经两级VCA821放大后的信号由J2端口输出。请结合图5,其中,VCA821运算放大器的VG引脚接入DA增益控制电路5的输出(即引脚6)。在本实施例中,所述DA增益控制电路5采用12位四通道电压输出数模转换器MCP4728,其具有非易失性存储器;控制器4采用ATmega128单片机。MCP4728的电压输入端用10μF和0.1μF的电容进行了滤波,0.1μF的电容靠近芯片放置,10μF的电容靠近电源放置;PB0接PB1接PB2接SCL,PB3接SDA;MCP4728的SCL和SDA引脚分别接ATmega128单片机的PB0~PB3引脚,ATmega128单片机通过控制中间级电路的电压改变中间级放大电路的增益。请参见图4,后级功率放大电路3的作用是放大功率,AD8001运算放大器是电流反馈运算放大器,电路带宽受增益的影响小,所以在放大信号的同时,也能满足带宽要求。在信号输入端A1接入电阻RA2等于RA3为500欧姆,设置增益为2倍,但因为输入端有一个50Ω对50Ω的阻抗匹配RA1,所以整体放大1倍,带宽超出100MHz,且带内平坦度好。RA4为输出阻抗50欧姆,RA5为保留电阻,断开。A1为信号输入端口,接中间级电路的J1输出端口。ADA8001的-VIN接到R2再接地,+VIN接信号输入端A1,+VS引脚接+5V,-VS引脚接-5V,VOUT输出端接一个50Ω的负载,电源输入都通过10μF和0.1μF的电容CA1、CA2、CA3和CA4进行滤波,其中CA1=CA3=0.1μF,CA2=CA4=10μF,信号由A2端口输出。请参见图6,电源电路6为整个高频信号放大及控制电路提供电源。在本实施例中,所述电源电路采用具有集成高边MOSFET的3A降压稳压器TPS5430。第一级TPS5430的VIN引脚接680μF和0.1μF的电容接地,ENA引脚悬空,PH引脚和BOOT引脚间接一个0.01μF的陶瓷电容,为MOSFET的高端提供门电压。请结合图7,从图中可以看出,在输入12V电压、输出5V电压时,TPS5430有着很好的转换效率。本实用新型的信号放大过程为:所述前级电压放大电路1接收高频微弱信号并经过匹配阻抗和噪声抑制后输送至所述中间级程控放大电路2,所述中间级程控放大电路2将由前级电压放大电路1处理过的高频微弱信号经压控增益后输送至后级功率放大电路3,控制器4通过DA增益控制电路5对中间级程控电路2进行控制以改变其增益,所述后级功率放大电路3经由中级电压放大电路2处理后的高频微弱信号经过功率放大后输出高频放大信号。当带宽平坦度、截止频率调试:当供电电压为±5V时,输入有效值Ui=1mV,增益为60dB时,测量出输入信号频率与增益之间的关系如下表所示。表格一频率/Hz输出电压有效值/V放大倍数增益/dB500k1.02102060.171M1.03103060.255M1.02102060.1710M1.0010006050M0.9999059.91100M0.8888059.02140M0.71671657.10从表格1所测数据可以看出,在输出达到1V有效值时,增益达到60dB。在0~100MHz内,满足1dB的增益变化平坦度,3dB带宽达到140MHz。增益特性测试:当供电电压为±5V,输入信号频率为10MHz,最小输入为1mV有效值,输出最大为有效值1.02V。当输入为20mV有效值时,输出最小为有效值20mV。增益特性测试结果见下表。表格二从上表可以看出,系统增益在0~60dB范围内连续可调。综上所述:本实用新型的运算放大器自带噪声抑制、宽带、低失真且增益线性可变,直接有效的达到放大及控制高频信号的效果;选用集成电路运算放大器,具有可靠性和灵活性,同时降低成本且结构简单,使用方便。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本实用新型的保护范围。因此,本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页1 2 3 
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