基于JFET 的高精度可程控放大電路設(shè)計(jì)

1、基于JFET 的高精度可程控放大電路設(shè)計(jì)2011-1-13 15:33:06  來(lái)源：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)  點(diǎn)擊率： 8911 字號(hào): 摘要：微弱信號(hào)常常伴隨大量的噪聲且驅(qū)動(dòng)能力較弱，給精確測(cè)量帶來(lái)很大難度?；诮Y(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的程控放大器以壓控放大電路為核心，通過(guò)單片機(jī)C8051F020控制12位D/A輸出，改變工作在可變電阻區(qū)的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓以改變反饋電阻， 從而實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)精確調(diào)節(jié)，使整個(gè)系統(tǒng)操作起來(lái)更加簡(jiǎn)單、方便。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)1到1000倍放大并可程控，通過(guò)液晶顯示輸入、輸出值和放大倍數(shù)。測(cè)試結(jié)果顯示系統(tǒng)能夠?qū)ψ钚?mv的輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)定放大且具有較高的精度;以J

2、FET為核心的壓控電阻工作速度快、可靠性好、控制靈敏度高，無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)使其噪聲較低;系統(tǒng)12位A/D、D/A均集成在單片機(jī)內(nèi)部，縮減了復(fù)雜的外圍電路，可靠性高;系統(tǒng)還具有輸入電阻大、共模抑制比高等特點(diǎn)。因此在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動(dòng)增益控制、動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展、遠(yuǎn)程儀表測(cè)試等微弱信號(hào)測(cè)量方面使用尤為適宜。對(duì)微弱信號(hào)的程控放大，傳統(tǒng)的方法是采用可軟件設(shè)置增益的放大器如AD8321 芯片，但該類(lèi)放大器價(jià)格較高且選擇檔位較少。采用數(shù)字電位器或者模擬開(kāi)關(guān)和AD* 組成的多檔位、低成本的程控放大器可克服以上缺點(diǎn)，但是模擬開(kāi)關(guān)具有較大的噪聲且存在偏置電阻，精度不高使用D/A 內(nèi)部電阻實(shí)現(xiàn)可變電阻也是較為常用的方法， 利

3、用DAC 內(nèi)部精密電阻網(wǎng)絡(luò)作為運(yùn)放的反饋電阻提高了放大精度，但這種方案難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)?；诮Y(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的程控放大器采用時(shí)鐘頻率為100MHz 的C8051F020 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制， 能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的精確放大。通過(guò)D/A改變場(chǎng)效應(yīng)管的柵源極之間的電壓以調(diào)節(jié)壓控電阻，可變電阻范圍大，噪聲低，采用較復(fù)雜的軟件系統(tǒng)彌補(bǔ)了線性度不高的問(wèn)題，較高的精度滿足實(shí)際應(yīng)用需要。1 程控放大器原理壓控放大模塊要求實(shí)現(xiàn)1100 倍放大，然后與前置放大模塊組合實(shí)現(xiàn)1001000 倍的信號(hào)放大。采用D/A 控制以場(chǎng)效應(yīng)管為核心的可變電阻可實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)要求。場(chǎng)效應(yīng)管的源漏極電壓UDS 小于1V，UGS

4、不變時(shí)，ID 隨UDS 的增加而增加， 與電阻的特性一致，并且UGS 改變時(shí)ID-UDS 曲線的斜率跟著改變。這就是說(shuō)， 場(chǎng)效應(yīng)管可以用作一個(gè)受UGS 控制的壓控電阻。本設(shè)計(jì)將場(chǎng)效應(yīng)管接入運(yùn)放的T 型反饋網(wǎng)絡(luò)，使運(yùn)放的等效反饋電阻隨場(chǎng)效應(yīng)管的DS 間電阻的變化而變化，如圖1 所示。圖1 壓控放大電路反饋電阻為：為了確保場(chǎng)效應(yīng)管DS 之間的電壓小于1V，取R1=R2：壓控放大電路放大倍數(shù)為：經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，選取R1=200，R2=200，R3=1，R4=390。改變場(chǎng)效應(yīng)管柵極電壓，測(cè)量輸入、輸出，并計(jì)較得到放大倍數(shù)AV 的范圍為1 112 之間， 對(duì)20Hz20kHz 的正弦信號(hào)進(jìn)行多次測(cè)量和分

5、析，柵級(jí)電壓與增益的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。表1 場(chǎng)效應(yīng)管GS 電壓值與增益關(guān)系以輸入和放大倍數(shù)為坐標(biāo)反映到曲線圖上如圖2 所示。圖2 輸入電壓與放大倍數(shù)關(guān)系散點(diǎn)圖由圖可知輸入電壓與放大倍數(shù)近似成線性關(guān)系，經(jīng)線性擬合后得到函數(shù)關(guān)系：UGS取值范圍-2.38V0V， 如果采用12 位D/A控制UGS， 參考電壓取2.4V 則可實(shí)現(xiàn)0.001V 步進(jìn)，數(shù)字信號(hào)通過(guò)D/A 轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，其輸出經(jīng)反向后接到結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管G 極，由于R1、R2對(duì)稱(chēng)使場(chǎng)效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，源極和漏極間的等效電阻由G 極的電壓即D/A 輸出電壓控制，場(chǎng)效應(yīng)管源極和漏極的電阻變化會(huì)引起反饋電阻的變化。UDS 增益、AV 及數(shù)字量D/A 間對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2