可控放大器设计实战

　　放大器采用差动输入时能有效地抑制共模信号，并可通过按键控制放大倍数，可用于各类传感器的信号放大部分，是电子设计竞赛中的必备模块。
　　
　　需要准备下列元件：通用集成运算放大器OP07、LF356、模拟电子开关CD4052、CD4053、简易计数器模块以及电阻、电位器、电容若干。另外还需准备示波器、可提供+15V．-15V，+5V，-5V的直流稳压电源，或自制电源模块。
　　
　　本电路的原理框图如下图所示，输入信号先进行差动放大，再进行粗调放大，最后进行键控放大。差动放大可有效抑制共模输入；粗调放大可选择放大倍数为1倍、10倍、100倍或1000倍；细调增益放大可通过按键选择1～9的倍率，同时将增益数值用数码管显示。

　　■差动放大电路
　　
　　差动电路适合于放大（微伏级）弱信号，如果采用单端输入的运放、往往无法抑制高频噪声干扰。本文实现的可控放大器模块主要为传感器的弱信号提供放大功能，因此采用了三运放构成的仪用差分放大电路，如下图所示。

　　前级运放Ul和U2构成同相差动式高阻测量放大器，要求两运放的性能一致。这样，线路除具有差模、共模输入阻抗大的特点外，两运放的共模增益、失调及其漂移产生的误差也能相互抵消。后级U3的作用是割断共模信号的传递，并将双端输出转变为单端输出、以适应接地负载的需要。为保证差动电路的对称应选择R1=R2，R3=R4，R5=R6。并精确调节Rll，使R11+R10=R7，以保证电阻匹配。
　　
　　增益的分配一般前级取高值，后级取低值，即(Rl/R9)(R7/R3)。根据运放的虚短、虚断特性，可以计算输出电压UoUr为：

　　该电路的主要功能是滤除共模干扰、抑制高频噪声，其总增益约37倍。共模抑制比KCMR可达2×10(5)～2×l0(6)，输入电阻Ri100M，输出电阻Ro≤lΩ。

　　■粗调倍率放大电路
　　
　　粗调倍率放大电路可将输入信号放大1、10、100、1000倍。其实现方法很灵活，本设计采用同相比例放大器实现，如下图所示。同相比例放大器的增益由反馈回路分压比确定，可通过电阻的不同接入来设定放大器的增益。例如，当要求增益A=10时，可采用90k与lOk电阻分压。同理，经计算可得到图3中R2~R5的值。图中Rl和VD1、VD2为输入保护电路。采用输入偏置电流小的场效应管FET输入型运放LF356。对于高增益的直流放大器、需要失调调整电路，设定最大增益后用RP进行调零。当设定增益较高、如1000倍时，将会导致频率特性变坏，且运放输出易饱和。反馈电阻的选择可通过单刀四掷开关实现，也可以使用四路模拟开关CD4052控制。

　　■细调增益放大电路
　　
　　细调增益放大电路如下图所示，该电路可将输入信号放大1~15倍。那么，为实现细调增益的16档位控制，是不是必须选择16个电阻呢？假如您对放大电路熟悉的话，就能设计出较简单的电路一只需要4个电阻即可实现该功能。　　

本设计基于反相比例放大器实现，先选定反馈电阻RF=80k，要实现增益为1、需输入电阻R=80k;而要实现增益为2、则需输入电阻R=40k；要实现增益为3，需要输入电阻为80//40=26.7k就可以满足要求。因此，可以将具有1、1/2、1/4、1/8的加权电阻相应并联，即可获得1~15倍增益所需的合成电阻。

　　为了实现这四个加权电阻的任意组合接入，必须在每条支路设置开关进行控制。假如采用机械开关，操作起来不但复杂而且不直观，还很难正确设定放大倍数。因此，本设计选用了模拟电子开关控制加权电阻的接入，使倍率选择简便灵活。

　　模拟开关是一种三稳态电路，它可以根据选通端的电平、决定输入与输出端的状态。当选通端处在选通状态时，输出端的状态取决于输入端的状态；当选通端处于截止状态时，则不管输人电平如何，输出端都呈高阻状态。模拟开关在电子设备中主要起接通或断开信号的作用，与传统机械开关相比，模拟开关具有功耗低、抖动小、工作可靠、速度快、无机械触点、体积小和寿命长等特点。可广泛应用于电子电路的通断控制、多路切换等领域。常用的模拟开关集成电路的型号、名称及特性如下表所示。

　　虽然从逻辑功能上讲，4路模拟开关CD4066能够满足本设计的需求，必须注意它并不具有电平位移功能。也就是说，它只能完成正信号的开关控制，而对于负信号则无能为力，很多初学者向CD4066输入负电压信号，结果导致电流过大、甚至电路烧毁。因此，本设计采用了两片CD4053实现4路加权电阻的选通控制，也可选择4接点模拟开关DG201CJ芯片进行选通控制。
　　
　　三路2组双向模拟开关CD4053的引脚功能见下图。CD4053内部含有3组单刀双掷开关，3组开关具体接通哪一通道，由输入地址码ABC决定。其真值表见下表。“INHIBIT”是禁止端，当“INH”=l时，各通道均不接通。此外，CD4053还设有另外一个电源端VEE、在进行电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰一峰值达15V的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源VDD=+5v，vss=Ov，当VEE= -5V时，只要对此模拟开关施加0~5v的数字控制信号，就可控制幅度范围为-5V~ +5V的模拟信号。
　　
　　在使用中请注意模拟开关的导通电阻产生的误差，导通电阻一般为几十欧姆，因此反馈回路电阻应远大于该值。本设计中选用的电阻最小为10 kΩ，模拟开关造成的误差不到10％。

　　将差分放大电路、粗调倍率放大电路、细调增益放大电路顺次连接，就构成了可控放大器。该放大器可基本实现共模抑制、信号放大、增益控制等功能。但在使用中，必须进一步完善，从以下几个方面考虑：
　　
　　1．电源滤波有效地抑制电源的纹波是抗噪声必要手段。
　　
　　2．运放调零对于可变增益放大器，若增益高，失调误差就会增大，必须进行失调调整。
　　
　　3．键控调节控制的简便性直接决定着系统的实用性，读者可以用双四路模拟开关CD4052代替单刀四掷开关，并搭建四进制计数器实现单键控制，按键输入端需注意防抖。
　　
　　4．倍率显示对于细调增益的调节，波形变化比较细微，进行倍率显示是极其必要的。读者可以直接将简易计数器模块（详情参见《电子设计实战训练1：简易计数器》）的QO—Q3接入CD4053的控制端，实现倍率的增减控制、清零、数码管显示，同时实现自动十进制，即倍率选择在O—9轮换。那么，配合粗调倍率即可实现每个数量级的10档步进。
　　
　　若有困难，可参见下图，该电路元件较多，可对照系统结构框图。如果电路无输出，请检验各运放电源后；再逐级测量信号输出；另外细调倍率如果为零，也会出现此情况。如果电路输出偏差较大，请检查运放调零和差分电路的对称电阻是否匹配。