江朝暉 李 想 陸元洲 單桂朋

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230036）

程控放大器設(shè)計(jì)的方法總結(jié)與分析*

江朝暉 李 想 陸元洲 單桂朋

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230036）

程控放大器廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和自動(dòng)化儀表。程控放大器設(shè)計(jì)是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容之一。文章歸納了五種程控放大器設(shè)計(jì)方案，比較了各自的特點(diǎn)，并分析了放大器設(shè)計(jì)中增益與帶寬關(guān)系。本研究有助于電子信息工程專業(yè)學(xué)生對(duì)相關(guān)課程內(nèi)容的理解，提高在綜合實(shí)踐、畢業(yè)設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽和應(yīng)用開發(fā)中的創(chuàng)新能力。

程控放大器；設(shè)計(jì)方法；增益帶寬積；總結(jié)與分析

引言

放大電路是模擬信號(hào)采集的核心環(huán)節(jié)，基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用是當(dāng)前技術(shù)的主流。程控放大器可以通過(guò)單片機(jī)、嵌入式微處理器來(lái)控制其增益，常用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或自動(dòng)化儀表中［1］。程控放大器設(shè)計(jì)綜合了模擬電路、微處理器、軟件編程等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容之一［2］，對(duì)于電子信息工程專業(yè)學(xué)生進(jìn)行綜合實(shí)踐、畢業(yè)設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽和應(yīng)用開發(fā)等非常重要［3］。因此文章根據(jù)教學(xué)實(shí)踐歸納、分析了多種程控放大器設(shè)計(jì)方法，期望有助于學(xué)生掌握相關(guān)課程內(nèi)容，并應(yīng)用在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐中［4］。

一、程控放大器設(shè)計(jì)方案及比較

程控放大器采用微處理器進(jìn)行增益控制，放大部分由集成運(yùn)放及外圍元器件組成。其基本原理是由軟件調(diào)節(jié)反饋電阻RF的阻值，從而實(shí)現(xiàn)增益-RF/R的自動(dòng)控制，如圖1所示。

圖1 放大器增益控制原理圖

由于實(shí)現(xiàn)反饋電阻調(diào)節(jié)的器件或方式多種多樣，因此程控放大器有多種設(shè)計(jì)方案。歸納起來(lái)，一般有三大類共五種設(shè)計(jì)方法，并具有各自的特點(diǎn)：采用專用程控放大器芯片；在通用型運(yùn)放構(gòu)成的放大電路基礎(chǔ)上，采用模擬多路選擇器或繼電器來(lái)選擇不同阻值的反饋電阻，或者采用數(shù)字電位器改變反饋電阻，從而實(shí)現(xiàn)增益控制；采用乘法型D/A轉(zhuǎn)換器和通用型運(yùn)放來(lái)實(shí)現(xiàn)程控放大。

（一）采用專用程控放大器芯片的設(shè)計(jì)方法

將專用的可編程增益放大器如PGA202、PGA205、PGA113等與單片機(jī)、嵌入式微處理器結(jié)合，可構(gòu)成高性能的程控放大電路。以PGA205為例，其方案原理如圖2所示。

圖2 采用專用程控放大器芯片的方案原理圖

PGA205是價(jià)格較低、用途廣泛的可編程增益放大器芯片，放大倍數(shù)分為四檔，分別為1、2、4和8倍，可以通過(guò)軟件編程改變微處理器相應(yīng)端口的輸出邏輯電平，控制PGA205地址端A1、A0的不同組合，按照表1對(duì)其放大倍數(shù)進(jìn)行數(shù)字選擇。

表1 PGA205的放大倍數(shù)與編程邏輯的關(guān)系

該方案的特點(diǎn)是集成度高，電路簡(jiǎn)單，但是增益檔位有限且固定，一般是4檔或8檔可調(diào)。

（二）采用通用型運(yùn)放+模擬多路選擇器的設(shè)計(jì)方法

在通用型運(yùn)放構(gòu)成的放大電路基礎(chǔ)上，用微處理器控制模擬多路選擇器（即多路開關(guān)）來(lái)選擇不同阻值的反饋電阻，從而實(shí)現(xiàn)增益的控制。以模擬多路開關(guān)MAX308為例，其方案原理如圖3所示。

圖3 采用通用型運(yùn)放+模擬多路選擇器的方案原理圖

MAX308是8選1模擬多路開關(guān)，由地址線A2、A1和A0的不同電平組合來(lái)控制COM端與NO1至NO8端的連接，分別選通反饋電阻Rf1至Rf8，從而實(shí)現(xiàn)8檔增益調(diào)節(jié)?？筛鶕?jù)檔位需要選用4選1等不同模擬多路開關(guān)，或者將多個(gè)模擬多路開關(guān)并聯(lián)使用，構(gòu)成更多的檔位選擇。該方案的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，集成度較高，但是增益檔位是有限的，更為關(guān)鍵的是模擬多路選擇器的導(dǎo)通電阻不為零、截止電阻不為無(wú)窮大，且是非線性，誤差較大，不宜用于精密放大。

（三）采用通用型運(yùn)放+繼電器的設(shè)計(jì)方法

此方法與方法2類似，只是用電磁繼電器代替模擬多路選擇器，由微處理器控制繼電器的閉合與斷開，選通不同的反饋電阻。其原理示意圖如圖4所示。

圖4 采用通用型運(yùn)放+繼電器的方案原理圖

由于電磁繼電器的導(dǎo)通和截止性能優(yōu)異，采用精密電阻，該方案適合進(jìn)行精密放大，在自動(dòng)化儀器儀表中廣泛應(yīng)用。不過(guò)體積稍大，增益檔位也是有限的。

（四）采用通用型運(yùn)放+數(shù)字電位器的設(shè)計(jì)方法

數(shù)字電位器是通過(guò)開關(guān)控制電阻網(wǎng)絡(luò)接點(diǎn)的連接方式來(lái)改變電阻值的半導(dǎo)體器件，可直接與通用型運(yùn)放組成程控增益放大器。以Xicor公司出品的X9C系列數(shù)字電位器X9C103為例，其方案原理如圖5所示。

圖5 采用通用型運(yùn)放+數(shù)字電位器的方案原理圖

X9C103由計(jì)數(shù)器、非易失性存儲(chǔ)器、譯碼器、電阻網(wǎng)絡(luò)和控制電路組成，其最大阻值為10KΩ，分100檔調(diào)節(jié)。數(shù)字電位器的兩個(gè)端點(diǎn)VH和VL之間有一個(gè)由99個(gè)相同電阻串聯(lián)組成的電阻網(wǎng)絡(luò)，這些電阻每?jī)蓚€(gè)之間的連接點(diǎn)上均有一個(gè)CMOS開關(guān)管作為開關(guān)，由譯碼器對(duì)計(jì)數(shù)器結(jié)果譯碼進(jìn)行控制，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)就把電位器的中間抽頭VW端連接在該點(diǎn)上，從而獲得不同的阻值。數(shù)字電位器可通過(guò)微處理器的3根I/O引腳控制，U/D端控制計(jì)數(shù)方向，該引腳高電平時(shí)為加計(jì)數(shù)，低電平時(shí)為減計(jì)數(shù)；INC端為計(jì)數(shù)脈沖輸入，下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)；CS為片選信號(hào)輸入，低電平有效。當(dāng)CS由低電平恢復(fù)為高電平，且INC處于高電平時(shí)，計(jì)數(shù)值被存入非易失性存儲(chǔ)器中，因此當(dāng)電路掉電后再次上電時(shí)，數(shù)字電位器中仍保存著原有的控制數(shù)據(jù)，其中間抽頭到兩端點(diǎn)之間的電阻值仍是上一次的調(diào)整結(jié)果。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，集成度高，調(diào)節(jié)檔位多，缺點(diǎn)是精度不足，抗干擾性稍差。

（五）采用乘法型D/A轉(zhuǎn)換器和通用型運(yùn)放的設(shè)計(jì)方法放大電路由數(shù)字可編程衰減器與固定增益放大器級(jí)聯(lián)組成，其原理如圖6所示。

圖6 采用乘法型D/A轉(zhuǎn)換器和通用型運(yùn)放的方案原理圖

由n位乘法型D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字可編程衰減器是該方案的核心。模擬信號(hào)從D/A轉(zhuǎn)換器的VREF端輸入，輸出電壓V01的表達(dá)式為：

其增益A1=-D/2n，只要由微處理器改變數(shù)字量D，就可以改變?cè)鲆鍭1，步長(zhǎng)為1/2n。該方案可近似獲得任意倍數(shù)的增益控制。

二、放大器的增益與帶寬分析

在程控放大器的設(shè)計(jì)中，還有一個(gè)非常重要的問題需要解決，那就是增益與帶寬的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)輸入模擬信號(hào)較微弱，為了獲得伏級(jí)輸出，要求放大電路具有較大的增益；但是由于帶寬與增益成反比，為了使帶寬滿足設(shè)計(jì)要求，放大器的增益不宜太大。因此，為了同時(shí)滿足增益和帶寬的要求，不能采用單級(jí)放大結(jié)構(gòu)，而要采用多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)的模式。

圖7 同相放大器及其頻率特性

其中，ft為單位增益頻率，A0為開環(huán)增益，fb為開環(huán)-3dB頻率，AF為放大電路增益，fB為放大電路帶寬。

以一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明放大器增益與帶寬的分析及設(shè)計(jì)過(guò)程——用運(yùn)算放大器LM741設(shè)計(jì)一個(gè)增益為60dB、帶寬≥20kHz的放大電路。

查閱LM741的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，其fb=5Hz，ft=1MHz。由201gx=60可得增益x=1000；如果采用單級(jí)放大，則由（2）式計(jì)算可知不能同時(shí)滿足增益與帶寬要求，即：

IMHZ=A×20kHz，得A=50＜x；或者IMHZ=1000×f，得f= 1KHz＜20KHz。

如果采用兩級(jí)放大級(jí)聯(lián)的方案，設(shè)前級(jí)增益為20、后級(jí)增益為50，則：

圖8 兩級(jí)放大級(jí)聯(lián)方案

三、結(jié)束語(yǔ)

程控放大器設(shè)計(jì)不僅是電子信息工程專業(yè)課“電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)”中的重要內(nèi)容，而且是電子工程師應(yīng)用開發(fā)中的必備技術(shù)。由于涉及到多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的綜合運(yùn)用，程控放大器設(shè)計(jì)是相關(guān)教學(xué)和實(shí)踐中的難點(diǎn)。文章歸納、總結(jié)了三大類共五種程控放大器的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了各自的組成原理和優(yōu)缺點(diǎn)，并通過(guò)實(shí)例闡述了放大器增益與帶寬的分析及設(shè)計(jì)過(guò)程。文章研究結(jié)果有助于電子信息工程專業(yè)學(xué)生對(duì)相關(guān)課程內(nèi)容的理解和融會(huì)貫通，提高在綜合實(shí)踐、畢業(yè)設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽和應(yīng)用開發(fā)中的創(chuàng)新能力。

［1］賈立新，王涌，陳怡.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐（第3版）［M］.清華大學(xué)出版社，2014.

［2］江朝暉.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)的問題分析與方法探討［J］.教育教學(xué)論壇，2013，3：80-81.

［3］朱朝霞，詹雯，唐建祥，等.電子實(shí)習(xí)多層次開放式實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38（2）：140-142.

［4］江朝暉.地方性農(nóng)業(yè)高校電子信息類人才創(chuàng)新培養(yǎng)模式研究與實(shí)踐［J］.高教學(xué)刊，2015，20：34-35.

Program-controlled amplifier is widely used in data acquisition system and automatic instrument.The design of program-controlled amplifier is one of the key and difficult points in the course of electronic system design. In this paper，five kinds of design proposals were summarized，their features were compared and the relationship between gain and bandwidth of amplifier was analyzed.This research is helpful to the understanding of the relevant course content for students majored in electronic information engineering，and can improve the innovation ability in the comprehensive practice，graduation design，electronic design competition and application development.

program-controlled amplifier；design method；gain bandwidth product；summary and analysis

G642

A

2096-000X（2016）20-0062-03

安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)質(zhì)量工程項(xiàng)目——卓越人才教育計(jì)劃之卓越工程師（編號(hào)：201537QT18）；安徽省科技攻關(guān)項(xiàng)目（編號(hào)：1501031102）。

江朝暉（1968-），男，博士，教授，主要從事電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)與研究工作。