差分放大电路基础上的宽带直流放大器的设计分析

摘要：在测量电路以及微弱信号监测系统中，宽带直流放大器的应用都十分广泛，就在差分放大电路的原理上，采用高速宽带集成运放为主放大器，阐述设计宽带直流放大器的方法。

关键词：差分放大电路；宽带直流放大器

中图分类号：TN7

文献标识码：A

文章编号：1671-7597(2011)0120059-01

1　系统功能

本系统中，电压增益Av大于等于60dB，输入的电压有效值Vi小于等于lOmV。Av能在0～60dB的范围内进行手动的连续调节。当Av等于60dB，输出端噪声电压的峰一峰值VONPPdx于等于0.3V。当最大输出电压正弦波有效值Vo大于等于10V，则输出的信号波形无明显失真现象。3dB通频带在0～10MHz之间；0～9Mllz通频带内的增益起伏小于等于1dB。放大器的输入电阻大于等于50欧，负载电阻50欧，误差值为正负2。电压增益AV可以预置并显示，其预置范围在0～60dB之间，步距5dB，也可以进行手动的连续调节，放大器带宽可以预置并显示。

2　系统方案

2.1　主放大器方案选择比较。采用分立元件的设计：该方案的优点是元器件的成本低，不过设计较复杂度，而且多种寄生元件会对其产生影响，增加调试工程的复杂度和调试周期，特别在频率高的情况下该情形就更为突出，所以在长时间内该方案的可靠性和指标比较难以保证，维护工作也不方便。还有一种采用高速宽带集成运放的设计方案：该方案电路实现相对简单，可以很保证很容易的得到可靠性和指标，调试和分析电路都相对容易，所以该方案比较可取。根据本文对直流放大器的设计要求，进一步的解决温漂问题，采用差分放大电路。

2.2　增益控制电路方案选择比较。采用高速乘法器型D／A：信号参考采用D／A转换器的Vref，由D／A输出端输出，控制则采取D／A转换器数字量输入端来实现，通过传输衰减来实现增益控制。此方案的优点是简单易行，不过一旦信号的频率较高，则系统容易自激，所以该方案不可行。另外一种是采用单片机控制继电器组，来选择电阻网络分配，按照不同的电阻网络分配改变增益。它的优点为编程相对容易且电路设计相对简单，编程容易，便于控制。因此经过综合考虑选择后一种方案。

2.3　功率放大电路方案选择比较。该系统的功率放大电路利用互补对称功放电路。该方案有结构简单、频响宽、对称性好等优点。虽然它的失真度在0.03％左右，不是特别的低，但电路的动态指标诸如TIM失真、转换速率等却相对比较好。因此为了提高系统工作效率，可以采用乙类互补对称功放电路。

2.4　测量电路方案选择比较。测量电路则采用真有效值转换器件测量，该方法具有精度高、电路简单等优点。该系统检测任意波形的信号有效值采用的有效值转换器件为AD637，它含有足够带宽，经由A／D转换后把数据输送至单片机处理器，再对数据进行处理，显示出相关参数。

3　理论计算分析

3.1　宽带增益积。按照系统功能的要求，其最大电压增益AV大于等于60dB，3dB通频带在0～10Mnz之间，增益带宽积：

GBW＝Av×Bw

则：

GBW＝600MdB

3.2　控制频带内增益起伏。因为在通频带内，AD829放大频带的增益不平均，增益值通常会在通频带带宽内8MHz和4MHz左右时，小于预期值，因此要对其进行增益补偿。可以在差分放大电路中，在J5接口并联一个15pF电容，增加8MHz频带左右的交流通路，在交流通路第二级与第三级间电阻并联100pF电容，以增加4Mnz交流通路，从而补偿4Mnz频带增益。

3.3　线性相位。普通放大器有一定的延时效应，因此在放大不同频率信号的过程中，会产生相应的相位变化。因此在特定的频段内就会出现应处于负反馈的电路。因为延时会使信号倒相180度，处于放大状态而产生自激。本系统采用的是高速运算的放大器，在10M内不会有明显的相位变化。

3.4　抑制直流零点漂移。当放大器工作一定时间后就会发热，放大性能会随之发生变化。由于本系统采用的是差分放大电路，因此当放大器出现零点漂移时，因为差分放大器采用相等参数的放大器，因此零点漂移的大小也是相等的，因此可以抵消直流温度漂移。

3.5　放大器稳定性。放大器工作过程中会出现外部干扰、自激等现象，放大器工作稳定性会受到一定的影响。当放大器深度负反馈时，输出信号会带有一定的纹波，这时要消除高频的纹波干扰，可以在输出口加一个小电容。而消除自激则可以在负反馈电阻中串联一个小电感。消除输出信号干扰可以在放大器电源两端并联一个0.1uF瓷片电容。在印刷PCB板时敷铜走线，就能大幅度降低信号干扰。

4　单元电路设计

4.1　跟随、反相电路的设计。差分放大器输入信号要求双端输入，因此要变换信号来得到双端输入。经过跟随和反相电路后得到的信号为原始信号的两倍，而且可以提高输入电阻。

4.2　差分放大电路的设计。AD829可以满足系统设计所需。一个差动放大器组以及两个同相放大器组成差分放大器。此电路的输入阻抗较高，调节电压放大倍数比较容易，输出不包含共模信号。

4.3　增益控制电路的设计。该系统用单片机控制继电器选用不同电阻值达到增益控制效果，其共分十二级，步进间隔为5dB。

4.4　补偿电路的设计。通常引入负反馈的放大电路输入寄生电容Cs对电路的稳定有一定影响。放大器的输入端会存在一定的寄生电容Cs，它会和反馈电阻Rf组成一个会引起输出电压相位滞后的网络，一旦输入信号频率较高，Cs的旁路作用会减弱使放大器的高频响应能力，其频带上限频率约为：

ωh＝1／(2πRfcs)

若Rr的阻值较大，放大器上限频率就会大幅度下降，同时Cs、Rr引入的附加滞后相位会引起寄生振荡，从而影响系统的稳定性。比较常用的方法是在Rr上并连一个补偿电容Cr，使RinCr网络和Rfcs网络构成相位补偿。

参考文献：

[1]熊旭军，基于Multisim的差分放大电路仿真分析，现代电子技术，2009(32).

[2]贾培军、常艳玲，差分放大电路的实验方案探究，延安大学学报(自然科学版)，2009(25).

[3]鹿璇、任翔、罗国君等，一种可控宽带直流放大器的设计，宇航计测技术，2010(8).

[4]王启君、薛波、杨娟等，宽带直流放大器设计，江苏技术师范学院学报，2010(3).

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