新型多路數控增益放大器

1、    新型多路數控增益放大器楊軍(南京電子技術研究所，江蘇省南京市210013)0引言在數字與模擬接口電路中，通常采用放大器和多路開關來完成信號的放大與通道的選擇，常用芯片有LF147、CA3140等，多通道選擇開關有AD7501等。目前尚沒有具有多路放大的專用模擬接口芯片。采用傳統(tǒng)的技術方案用做AD轉換器前端接口電路，需要對放大器電路進行增益調節(jié)，改變增益控制電阻的阻值達到放大量的變化，當遇到具有+-極性的輸入信號時，處理起來更加繁鎖。另外，在小信楊軍(南京電子技術研究所，江蘇省 南京市 210013)0引言在數字與模擬接口電路中，通常采用放大器和多

2、路開關來完成信號的放大與通道的選擇，常用芯片有LF147、CA3140等，多通道選擇開關有AD7501等。目前尚沒有具有多路放大的專用模擬接口芯片。采用傳統(tǒng)的技術方案用做AD轉換器前端接口電路，需要對放大器電路進行增益調節(jié)，改變增益控制電阻的阻值達到放大量的變化，當遇到具有+-極性的輸入信號時，處理起來更加繁鎖。另外，在小信號的狀態(tài)下，如采用常用的8位AD轉換器，一個5 V(滿量程)的輸入信號的分辨率為1256，一個2.5 V輸入信號通過放大至滿量程后，它的分辨率將提高1倍，一個小于1256信號如直接采用AD轉換器，該信號則已無分辨率可言。這樣必需通過放大器進行預放大。開發(fā)研制的基于微組裝工藝

3、的集成化高精度多路數控增益放大器(型號為DG8256)，是用MCM(多芯片組裝)技術實現的。在極性處理方面采用絕對值電路使得輸出信號為正值，采用8位AD轉換器時，對小信號均可通過數字控制的方法進行256級增益控制，從而實現了高精度的連續(xù)放大。低頻高精度AD轉換器的理想前級，放大器具有8個通道的信號輸入?；贛CM技術的多路數控增益放大器體積小、重量輕，適用于小型微機處理系統(tǒng)中模擬接口電路，而且放大器具有良好的溫度特性，適用于軍事、商業(yè)、工業(yè)、民用領域。1主要技術參數開發(fā)該接口模塊源于某雷達發(fā)射設備的控制與保護電路的研制。電路需要模擬接口電路，與以往的雷達發(fā)射機控制與保護電路不同的是對體積要求更

4、高，要求在很小的體積下完成復雜的信號采樣與控制。這就啟發(fā)了我們開發(fā)研制該模塊。模塊具備8個通道信號輸入，每個通道的信號具有正負信號輸入能力，模塊末級輸出為正值輸出，通道選擇采用TTL信號控制，信號具有增益可控的能力，增益控制采用TTL電平控制。模塊的主要技術參數如下：a)供電電源：±12 V；b)輸入信號幅度：-5 V+5 V；c)輸入通道數：3位數控(S0S2)，8通道信號輸入(Vin0Vin7)；d)輸出信號幅度：0+5 V；e)輸入信號頻率：i5 kHz；f)放大可控增益：-16 dB+16 dB；g)放大器線性度：2；h)增益調節(jié)：8位數控(G0G7)，256級線性；i)輸入

5、阻抗：510 k；j)輸出電流：2 mA；k)工作溫度：-55+85 ；1)封裝：DIP(雙列直插式封裝)24腳；m)外型尺寸：長×寬×高為33 mm×21 mm×6.0 mm：n)鍍金引腳：引腳長5 mm。2功能特性與電路原理2.1功能特性多路數控增益放大器是對-5 V+5 V的模擬信號進行可控放大，取絕對值輸出的模擬接口模塊。模塊有8個輸入通道，通過數字量控制，可任選其中一路進行輸入。有8位增益控制端子，對輸入的信號按照要求進行放大，模塊設計的絕對值處理電路將輸入信號進行絕對值處理，具有絕對值極性判別輸出端子。模塊的主要功能特性如下：a)輸人多通道選

6、擇功能：8通道選擇輸入，其中一路作為有效輸入信號，采用TTL電平數控。b)絕對值輸出功能：對輸入信號，模塊將其轉換為絕對值輸出，提供極性TTL電平極性判別輸出(+-)端子(“1”為正模擬量，“0”為負模擬量)。c)線性放大功能：模塊對輸入信號進行線性放大，增益范圍為-16 dB+16 dB。d)增益數控功能：增益選擇通過TTL電平數控選擇，選擇增益步進為(32256±0.125)dB。e)高輸入阻抗：輸入阻抗510 k。f)大輸出電流：輸出電流12 mA。2.2電路原理多路數控增益放大器原理是基于多芯片的電路原理設計，功能電路分為多路選擇電路、中間級射隨器電路、絕對值電路、增益控制電

7、路、電源電路、末級射隨器電路。其原理框圖如圖1所示。多路模擬開關采用CD4051芯片，有8路模擬量輸入信號，芯片供電為+-5 V電源供電，3路數字量控制信號進行通道選擇，CD4051為高速的模擬多路開關芯片，可以滿足高速條件下的數據切換。在選擇信號入口接有3只5.1 k的下拉電阻。通道選擇真值表如表1所示。中間級射隨器電路使電路輸出阻抗合理匹配，提高了電路電源輸出的能力，并提高了模塊的抗干擾能力。絕對值電路為有極性的輸入信號時，通過運放電路進行轉換使其按1：1輸出，但輸出信號均為正值，同時，輸出極性判別信號，當輸入信號為負值時，極性判別信號為“0”，當輸入信號為正值時，極性判別信號為“1”。增

8、益控制采用了一級運算放大器加上加權的反饋放大電阻構成，放大系數由加權電阻的阻值決定，加權電阻的阻值大小取決于選通的單個開關，一個開關的選擇決定了整個加權電阻的阻值。電阻采用精密電阻，電阻精度小于0.1。8個電阻通過開關形成加權值，這8個電阻的阻值分別為240、480、960、1.92 k、3.84 k、7.68 k、15.36 k、30.72 k，最大加權值為60.2k，開關的關斷內阻加權值為186k，實際加權電阻(定義標識符為R2)的值為45.5 k，運算放大器部分采用負反饋，輸入端電阻(定義標識符為R1)的值為9.56 k，可得最大放大倍數近似為：當開關導通時，導通加權電阻34 ，最小放大

9、倍數為：電源電路采用MC790*MC7806兩只穩(wěn)壓管，分別形成+6 V和-6 V的電源，供內部開關和運算放大器使用。末級射隨器電路可提高信號輸出能力，也能更好地實現阻抗匹配，同時提高模塊的抗干擾能力。2.3輸人、輸出接口模塊采用DIP 24腳金屬外殼封裝型式，其引腳分布如圖2所示。a)模擬量輸入接口：Vin0Vin7為8路模擬量輸入。b)選擇控制接口：S0S2為選擇控制接口輸入，其電氣接口特性為TTL電平。c)增益控制接口：G0G7為8路增益控制接口輸入，其電氣接口特性為TTL電平；其結構布置圖見圖2。d)電源接口：VDD為+12 V電源輸入，VSS為-12 V電源輸入，GND為供電電源與輸

10、出信號接口信號地。e)輸出接口：Vout為模擬量輸出接口，其輸出范圍為0+5 V；+-為極性指示輸出接口，高電平(即“1”)表征輸入信號為正模擬量，低電平(即“0”)表征輸入信號為負模擬量。3結構與工藝放大器采用小型金屬殼體封裝，結構小。放大器的結構外形如圖3所示，具體尺寸如表2所示。放大器采用先進的MCM技術，即將多個IC芯片與多個高精度電阻組裝在LTCC(低溫共燒陶瓷)多層互聯基板上，然后封裝在同一金屬外殼中。所以放大器是多層布線基板技術、多層布線互聯技術、表面安裝技術、微型元器件及裸芯片貼裝技術的綜合。LTCC的生瓷帶下料可用熱刀或激光，下料后的生瓷帶必須盡快使用；生瓷帶打孔主要有鉆孔、

11、沖孔和激光打孔等3種方法，通孑L直徑應小于1.0 mm而大于0.5 mm，并且通孔距基板邊緣的距離應大于0.635 mm。通孔填充是制造LTCC基板的關鍵工藝之一，其質量的好壞直接決定了LTCC基板的性能，而且燒結后通孔部分下陷，會影響后道工序中外貼元器件的組裝及組件封裝，所以一定要保證通孔填充飽滿。印刷完后，應用顯微鏡檢查通孔質量，對沒有填充好的通孔進行修補。生胚片之間的精確對位對于保證LTCC多層基板的電氣性能是非常重要的，包括印刷時絲網與生瓷帶之間的對位和疊層時生瓷帶同生瓷帶間的對位。影響對位精度的主要因素有打孔精度誤差、照相制版精度誤差、印刷機手動調節(jié)對位視覺誤差，其中最關鍵的是印刷定

12、位精度。目前布線密度達到線寬0.20 mm、線間距0.20 mm、孔徑0.30 mm、孔中心距0.60 mm，共8層導體。芯片采用環(huán)氧膠粘接的方法固定在LTCC多層基板上，鍵合方式主要采用熱壓焊工藝。4性能測試4.1電特性多路數控增益放大器的電特性如表3所示。4.2測試框圖多路數控增益放大器測試框圖如圖4所示。放大器由外部電源供電，供電電源參照電特性提供±12 V50 mA的供電，由信號發(fā)生器提供放大器的輸入信號電壓以及測試所需要的輸入波形。輸出信號由示波器進行波形測試，通過萬用表測試輸出電壓值，選通開關和增益控制開關進行通道選擇與增益控制。4.3測試結果按照圖4連接好多路數控增益放

13、大器。信號發(fā)生器輸入波形為正弦波時，圖5(a)測出了輸出端的信號波形，該波形為頻率加位的半正弦波；圖5(b)測出了極性判別輸出端的信號波形，該波形為矩形波。采用萬用表測試輸出端電壓，在不同輸入電壓下得出一系列輸出值，根據輸入、輸出測量值，得出了輸出在不同輸入電壓下的增益控制關系，見圖6圖9。為了節(jié)省篇幅，僅給出±0.5 V和±5 V輸入電壓下的測試數據加以說明。由圖6、圖7可以看出：輸出電壓與控制位是線性的；放大器具有良好的絕對值特性；可控最大放大倍數約為16 dB(0xFF時)。由圖8、圖9可以看出：輸出電壓最大值控制在5 V以內；放大器具有良好的絕對值特性；輸出電壓最小

14、縮小系數為小于-16 dB(0X00時)。5放大器應用5.1控制與保護系統(tǒng)硬件配置中的應用該模塊在小型控制設備中可以發(fā)揮極重要作用，本文以某機載雷達發(fā)射機控制與保護系統(tǒng)為例介紹該模塊的應用。雷達發(fā)射機的控制與保護需要對多項模擬參數進行數據采集，如發(fā)射機行波管陰極高壓、收集極電壓、陽極電壓、管體電流等參數。在CPU中進行處理后，判斷發(fā)射機工作是否正常。圖10給出發(fā)射機的控制保護原理圖。在該電路中，系統(tǒng)除了多路數控增益放大器外，還配置了CPLD(可編程邏輯控制器)、AD7820、通信接口以及復位電路。MD87C51是該電路控制CPU，通過放大器采集來的數據由CPU加以處理判斷，CPU通過CPLD控制放大器通道選擇與增益。5.2控制與保護系統(tǒng)軟件設計中的應用放大器應用于控制與保護系統(tǒng)中的軟件設計的關鍵是設計好放大器的通道選擇與增益控制。在下面的軟件程序中，僅列舉了與放大器相關的部分，在主程序中