直流放大器

單端式直流放大器需要解決級(jí)間直流電平配置問題，利用電阻Re2拉低BG2的射極電位以滿足直流電平配置要求（即令Ube2=Uc1-Ue2).利用D1及D2作電平配置。使BG2、BG3的偏聽偏信置電壓分別為Ube2=0.3伏、Ube3=0.45伏。D3起保護(hù)作用，避免使BG1基極受到過大的反壓，如果前級(jí)輸出電壓主和后級(jí)輸入電壓相差較大，可以利用硅穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓來代替硅二極管的作用電路利用較大的Rc1、Rc2來提高集電極電壓，以實(shí)現(xiàn)前后級(jí)直流電平的配置。電路利用PNP（BG1和BG3）與NPN（BG2）的極性相反來進(jìn)行電平配置于，BG1的輸出電流是BG2的輸入電流，BG2的輸出電流是BG2的輸出電流是BG3輸入電流，較好地實(shí)現(xiàn)了級(jí)間耦合，上述四種電路的最大缺點(diǎn)是零點(diǎn)漂移大。

低噪聲寬帶直流放大器 在中頻和視頻放大器中均具有廣泛的應(yīng)用，這類電路主要用于對(duì)視頻信號(hào)、脈沖信號(hào)或射頻信號(hào)的放大，放大信號(hào)帶寬可從直流到幾兆赫茲甚至到幾十兆赫茲，在信號(hào)處理中具有廣泛應(yīng)用。尤其是近年來超寬帶(Ultra-Wideband,UWB )技術(shù)在隱蔽通信和目標(biāo)探測(cè)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展使得UWB信號(hào)對(duì)帶寬要求也進(jìn)一步提高，所以接收機(jī)前端所需的信號(hào)預(yù)處理電路必須是低噪聲超寬帶放大器。

超寬帶直流放大器的性能直接影響信號(hào)檢測(cè)和處理的精度，而低噪聲、低零點(diǎn)漂移、超寬帶設(shè)計(jì)一直是該類放大器關(guān)注的重點(diǎn)，具有重要的工程意義和實(shí)用價(jià)值。Bevilacqua等和VaSIC等設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)超寬帶放大和具有低噪聲特性的放大器，但是沒有解決零點(diǎn)漂移和高噪聲系數(shù)的問題。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款由低噪聲放大器、高性能濾波網(wǎng)絡(luò)、程控零漂校正電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)和精密電源構(gòu)成的低噪聲超寬帶直流放大器，較好地解決了放大器的超寬帶與低噪聲、高阻帶衰減與低通帶起伏矛盾和高增益精密控制、直流零漂補(bǔ)償校正等問題，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

低噪聲超寬帶方案

低噪聲超寬帶直流放大器系統(tǒng)方案：整個(gè)放大器系統(tǒng)由主放大器、濾波網(wǎng)絡(luò)、零漂校正電路、控制系統(tǒng)和高性能供電電源五部分組成。其中主放大器由低噪聲精密前級(jí)放大、增益控制、中間級(jí)放大和末級(jí)推挽輸出的功率驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。低噪聲精密前級(jí)放大采用超低噪聲集成運(yùn)放芯片，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)低噪聲特性;單片機(jī)控制壓控增益放大器實(shí)現(xiàn)了增益調(diào)節(jié);由低噪聲、高速集成運(yùn)放構(gòu)成的中間級(jí)放大提高了整機(jī)增益;末級(jí)功率驅(qū)動(dòng)則采用雙運(yùn)放構(gòu)成推挽輸出，提高了整機(jī)負(fù)載能力。高性能濾波器采用無源濾波器方案構(gòu)成雙通道八階巴特沃斯LC低通濾波器，波段可程控切換。零點(diǎn)漂移校正通常有模擬校正和數(shù)字校正兩種方案，本機(jī)采用數(shù)字校正方案對(duì)整機(jī)電路零點(diǎn)漂移進(jìn)行校正，提高了校正精度?？刂葡到y(tǒng)則以單片機(jī)AT89C52為中心，實(shí)現(xiàn)整機(jī)增益程序控制及零點(diǎn)漂移數(shù)字控制。供電系統(tǒng)采用混合穩(wěn)壓，經(jīng)過退藕濾波、二級(jí)穩(wěn)壓和精密穩(wěn)壓后，為整機(jī)提供精密低噪聲的直流工作電源。

增益程序控制

增益控制是放大電路的增益隨外部控制信號(hào)的變化而改變的控制方法。本設(shè)計(jì)采用增益程序控制，通過外部鍵盤操作設(shè)置增益的加減，簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)。選用電壓增益控制放大器VCA810，通過單片機(jī)控制數(shù)字電位器X9C103調(diào)整端輸出電壓來改變VCA810增益控制引腳電壓在0一2V之間變化，從而實(shí)現(xiàn)整機(jī)增益0-80 dB范圍內(nèi)1 dB步進(jìn)可調(diào)。

直流零點(diǎn)漂移校正

直流零點(diǎn)漂移是指直流放大器工作點(diǎn)的不規(guī)則漸進(jìn)緩慢變化。增益越大，放大級(jí)數(shù)越多，輸出端的零漂現(xiàn)象越嚴(yán)重，嚴(yán)重時(shí)甚至使運(yùn)放飽和而無法正常工作。因此，為保證直流放大器穩(wěn)定工作必須設(shè)計(jì)直流零點(diǎn)漂移校正電路。本設(shè)計(jì)通過AJD采樣，將檢波到的末級(jí)直流零漂送往單片機(jī)，選擇合適基準(zhǔn)電壓，利用單片機(jī)控制數(shù)字電位器X9C102在調(diào)零端加入補(bǔ)償校正電壓，從而實(shí)現(xiàn)直流零點(diǎn)漂移的自動(dòng)調(diào)零。

高性能網(wǎng)絡(luò)濾波

濾波器在系統(tǒng)中主要起降低噪聲、濾除帶外干擾、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。在本設(shè)計(jì)中兩個(gè)低通濾波器的通頻帶分別為。-5 MHz和-10 MHz，并且要求通帶內(nèi)起伏<1 dB，阻帶衰減40 dB/2f_c，因此必須采用精密電感電容來實(shí)現(xiàn)高階無源LC低通濾波器。因?yàn)長(zhǎng)C濾波器計(jì)算復(fù)雜，參數(shù)難于設(shè)定，所以利用Filter Solutions軟件進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

直流放大器常用于測(cè)量?jī)x表。在高精度電位測(cè)量和生物電與物理電測(cè)量中（見生物醫(yī)學(xué)核電子儀器），電信號(hào)往往很弱，而且變化緩慢，含有直流成分，經(jīng)放大后才便于檢測(cè)、記錄和處理。此外，在許多情況下，被測(cè)信號(hào)源的內(nèi)阻高，要求放大器具有高增益和高輸入阻抗。具有這種特性的直流放大器也適合用作運(yùn)算放大器。

直接耦合的晶體管或電子管放大器都可作為直流放大器。這類放大器也靠直流電源供電。當(dāng)無信號(hào)輸入時(shí)，理想的直流放大器的輸出電位應(yīng)該是零、或者是一個(gè)稱之為放大器直流零點(diǎn)的參考電位。但是實(shí)際上，由于電源電壓的波動(dòng)和諸如溫度等環(huán)境因素的改變，以及電子元件、器件的老化，這個(gè)參考電位會(huì)隨放大器特性參數(shù)的改變而發(fā)生變化。這樣，放大器的輸出中就不可避免地含有一個(gè)稱為零點(diǎn)漂移的不固定誤差。在多級(jí)放大器直接耦合的情況下，前級(jí)的零點(diǎn)漂移會(huì)被后面各級(jí)漸次放大，結(jié)果便會(huì)與被放大的有用信號(hào)相混淆，影響放大器的性能。最大限度地克服零點(diǎn)漂移，是直流放大器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要目標(biāo)。

直流放大器的類型很多。直接耦合的單管放大器是最簡(jiǎn)單的一種。這種放大器的缺點(diǎn)是零點(diǎn)漂移大。

雙通道斬波式直流放大器的原理圖（圖1）。它由斬波通道、高頻通道和主放大器三部分組成。被測(cè)信號(hào)中的直流分量(包括緩變分量)和高頻分量，分別經(jīng)斬波通道和高頻通道處理后由主放大器相加。經(jīng)過斬波通道的信號(hào)在被放大之前，先被“斬切”成方波，經(jīng)交流放大以后再由解調(diào)器恢復(fù)為直流。交流放大器和低通濾波器不會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，只要斬波器的“通”、“斷”不引入殘存電壓和漏電流，整個(gè)放大器基本上不會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。高頻通道使信號(hào)頻率較高的分量直接經(jīng)主放大器輸出，能起補(bǔ)償和加寬頻帶的作用。斬波器的好壞對(duì)直流放大器的性能影響很大。早期的機(jī)械振子斬波器具有理想的開關(guān)特性，但工作頻率只有幾百赫，而且壽命短。現(xiàn)代的以場(chǎng)效應(yīng)晶體管為主構(gòu)成的斬波器具有良好的性能，得到了廣泛的應(yīng)用。

斬波式直流放大器作為運(yùn)算放大器，曾在模擬計(jì)算機(jī)中發(fā)揮過重要作用，后來主要用于高精度的測(cè)試系統(tǒng)。集成式運(yùn)算放大器可以直接用于線性直流放大，使用比較廣泛。

它是由BG₁、BG₂一對(duì)特性相同的晶體管組成，而且電路元件也都是對(duì)稱的。輸入信號(hào)人別為Ui1、Ui2；單端輸出信號(hào)分別是Uc₁、Uc₂；雙端輸出為UC1與UC2之差，即U_O=Uc₁-Uc₂差動(dòng)電路具有下列特點(diǎn)：

具有抑制零點(diǎn)漂移能力

差動(dòng)電路由于管特性相同和電路元件對(duì)稱，所以當(dāng)溫度升高時(shí)，兩管的集電極電流將得到同樣的增量，即△IC₁=△IC₂而雙端輸出為UO=△IC₁RC-△IC₂RC=0，所以輸出沒有零點(diǎn)漂移。

共模輸入時(shí)具有抑制放大能力

通常把幅度相等，相位相同的一對(duì)輸入信號(hào)，稱為共模信號(hào)，由下列電路圖A可見，當(dāng)Ui₁=Ui₂時(shí)，在對(duì)稱條件下，則雙端輸出Uo=KUi_l-KUi₂=0,

差模輸入時(shí)具有放大能力

通常把幅度相等，相位相反的一對(duì)輸入信號(hào)，稱為差模信號(hào)。當(dāng)Ui1=-Ui2差模輸入時(shí)，兩面三刀管集電極輸出分別為Uc1=-KUi1、Uc2=-KUi2；所以，差模放大倍數(shù)Kud:Kud=(Uc1-Uc2)/(Ui1-Ui2)=(-Ui1K-Ui1K)/2Ui1=-K=(-)(hfeRc)/(Rs hie)

由于差動(dòng)電路的雙端輸入電壓、雙端輸出電壓均比單管共射放大電路多了一倍，所以差模放大倍數(shù)Kud與單管共射電路的放大倍數(shù)相同

為提高抑制零漂能力，應(yīng)使共模放大倍數(shù)越小越好，差模放大倍數(shù)越大越好，因而利用共模抑制比CMRR*=Kud/Kuc作為評(píng)價(jià)差動(dòng)放大電路性能好壞的重要指標(biāo)。

具有穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的能力

射極度電阻Re對(duì)共模信號(hào)及溫漂電平均有很強(qiáng)的負(fù)反饋?zhàn)饔?。例如在溫度升高時(shí)，IC₁、IC₂都同時(shí)增加，并產(chǎn)生下列負(fù)反饋過程：

結(jié)果使IC₁、IC₂的實(shí)際變化相對(duì)地減小，這里Re起著恒流作用，從而穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，顯然Re越大，恒流作用也越大，抑制零漂的能力也就越強(qiáng)，引入輔助電，以抵消Re的壓隆。使射極度對(duì)地電位能維持正常的數(shù)值。值得注意的是，對(duì)差模信號(hào)，Re不起負(fù)反饋?zhàn)饔?，因此，它不?huì)降低差模信號(hào)的放大倍數(shù)。