基于JFET实现放大倍数精确调节并可程控的放大电路设计

对微弱信号的程控放大，传统的方法是采用可软件设置增益的放大器如AD8321 芯片，但该类放大器价格较高且选择档位较少。采用数字电位器或者模拟开关和AD* 组成的多档位、低成本的程控放大器可克服以上缺点，但是模拟开关具有较大的噪声且存在偏置电阻，精度不高使用D/A 内部电阻实现可变电阻也是较为常用的方法， 利用DAC 内部精密电阻网络作为运放的反馈电阻提高了放大精度，但这种方案难以实现连续调节。基于结型场效应管的程控放大器采用时钟频率为100MHz 的C8051F020 单片机实现闭环控制， 能实时调节输出，实现对输入信号的精确放大。通过D/A改变场效应管的栅源极之间的电压以调节压控电阻，可变电阻范围大，噪声低，采用较复杂的软件系统弥补了线性度不高的问题，较高的精度满足实际应用需要。

1 程控放大器原理

压控放大模块要求实现1~100 倍放大，然后与前置放大模块组合实现100~1000 倍的信号放大。

采用D/A 控制以场效应管为核心的可变电阻可实现该设计要求。场效应管的源漏极电压UDS 小于1V，UGS 不变时，ID 随UDS 的增加而增加， 与电阻的特性一致，并且UGS 改变时ID－UDS 曲线的斜率跟着改变。这就是说， 场效应管可以用作一个受UGS 控制的压控电阻。

本设计将场效应管接入运放的T 型反馈网络，使运放的等效反馈电阻随场效应管的DS 间电阻的变化而变化，如图1 所示。

图1 压控放大电路

反馈电阻为：

为了确保场效应管DS 之间的电压小于1V，取R1＝R2：

压控放大电路放大倍数为：

经过多次试验，选取R1＝200，R2＝200，R3＝1，R4＝390。改变场效应管栅极电压，测量输入、输出，并计较得到放大倍数AV 的范围为1 ~112 之间， 对20Hz~20kHz 的正弦信号进行多次测量和分析，栅级电压与增益的具体对应关系如表1 所示。

表1 场效应管GS 电压值与增益关系

以输入和放大倍数为坐标反映到曲线图上如图2 所示。

图2 输入电压与放大倍数关系散点图

由图可知输入电压与放大倍数近似成线性关系，经线性拟合后得到函数关系：

UGS取值范围－2．38V～0V， 如果采用12 位D/A控制UGS， 参考电压取2．4V 则可实现0．001V 步进，数字信号通过D/A 转化为模拟信号，其输出经反向后接到结型场效应管G 极，由于R1、R2对称使场效应管工作在可变电阻区，源极和漏极间的等效电阻由G 极的电压即D/A 输出电压控制，场效应管源极和漏极的电阻变化会引起反馈电阻的变化。UDS 增益、AV 及数字量D/A 间对应关系如表2 所示。

单片机D/A 输出电压0～2．4V，故需外接运放将输出反向，输出电压范围为－2．4V～0V，可满足要求。

表2 UDS增益、AV及D/A 数字量之间的对应关系

2 电路设计

2．1 总体方案的设计及组成

系统主要由单片机控制模块、前置放大电路模块、D/A 转换模块、压控放大模块、有效值转换、A/D采样模块和显示电路等组成。

2．2 总体结构

控制器选用C8051F020 单片机， 内部集成12位A/D、D/A 和锁相环，最高工作频率100MHz，选用低噪声、频带宽和放大能力好的放大器AD* 做为前置放大器，AD* 能够放大最小信号为25μV。有效值转换选用精度高的AD637，AD637 能够采集0V～2V 之间的信号，系统方框图如图3 所示。

图3 系统框图

2．3 模块方案论证

2．3．1 前置放大模块

前置放大部分对输入信号进行10 倍放大，当输入信号十分微弱时，通常会淹没在噪声中，这就要求前置放大电路具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声等特性。系统采用精密仪表放大器AD*，它具有很高输入阻抗， 能有效抑制信号源与传输网络阻抗不对称引入的误差，单位增益带宽25MHz，适用于宽频带测量系统，共摸抑制比高达130dB，等效输入噪声小于4nV/Hz， 输入失调电压温度漂移只有0．25μV/℃，能有效抑制共模干扰引入的误差，提高信噪比和系统的精度； 具有较高的增益及较宽的增益调节范围，可适用信号源电平较宽的范围。

AD* 是高精度低噪声仪用放大电路，它可用在不同传感器输出信号的放大系统中。AD* 除给定100、200、500 的固定增益外，还可将3 脚与其它相连得到不同固定增益。该集成放大器通过内部高精度电阻器设置了1，100，200，500，1000 等管脚增益，并可通过连接适当的增益得到多种组合增益值。

还可通过外部电阻器任意设定增益值，如图4 所示。

图4 增益值的设定

图中，在脚3 与16 之间连接电阻RG，其阻值为：

其中：AV为放大器增益。为达到最好效果，RG应选用低温度系数的精密电阻器。

取RG＝4．44k，即可得到10 倍的前置放大。

2．3．2 压控放大模块

单片机内部12 位D/A 输出0～2．4V 直流信号，而结型场效应管需要－2．4～0V 信号， 因此需要对D/A 输出信号取反。T 型反馈网络的电阻分别取R1＝200，R2＝200，R3＝1，具体实现电路如图5 所示。

图5 压控放大电路设计

2．3．3 有效值转换

有效值转换电路采用AD637 专用芯片计算电流和电压的有效值，能简化软件设计，而且转换精度达到0．1％。

一个交变信号的有效值定义为：

其中：VRMS为信号的有效值；T 为测量时间；V（t）是信号的波形，V（t）是一个时间的函数，但不一定是周期性的。

对等式的两边进行平方得：

右边的积分项可以用一个平均来近似：

式（8）可以简化为：

等式两边除以VRMS得：

系统采用AD637 有效值检测器将输入的交流电压信号转换为直流电压，然后通过A/D 转换器送给单片机处理。AD637 有效值转换如图6 所示。

图6 有效值转换电路

3 系统软件设计

软件部分完成各个部分的控制和协调。本系统软件由主程序和子程序组成， 主要完成系统初始化、液晶显示初始化、继电器控制、数模转换、数据采集和数据处理。主要由主程序和显示子程序等组成。如图7 所示。

系统软件设计中，采用模块设计法，功能模块各自独立，使得程序结构清晰。首先对系统各模块初始化，12 位A/D、D/A 均采用C8051F020 内部参考电压2．4V，继电器切换到输入端测量经AD* 放大后的输入信号，若测量值大于200mV，说明输入信号超过20mV，设置1 倍前置放大，然后根据输入信号的大小判断量程，调节D/A 输出控制JFET，继电器切换到输出端采集输出信号，根据输入输出进行系统自调节。考虑到温度对结型场效应管影响，为了不增加复杂硬件电路，对系统采用软件补偿。

图7 程控放大器主程序流程图。

4 系统测试

4．1 系统测试及结果分析

放大倍数测试，是通过示波器把输入信号的峰峰值和输出信号的峰峰值测出来，然后相比较：

其中：AV为放大倍数；VO为输出信号峰峰值；Vi为输入信号峰峰值。

电路本身的非线性、结型场效应管受温度影响、电阻的热稳定性差等因素造成了系统的非线性误差，如表3 所示，系统的最大非线性误差为0．2％，精度较高。

表3 改变输入信号峰峰值测试结果

设置放大倍数为50， 调节输入的峰峰值为20mV，改变输入频率，测量输出信号，如表4 所示。

表4 改变输入信号频率测试结果

测试结果显示，系统在频带0～20kHz 内的增益误差小于3％，共模抑制比超过2×106。

4．2 误差分析

测量时， 选用高精度示波器所测的数值为标准。误差产生的原因除了温度影响外主要有输入信号比较小，本身就含有一定的干扰信号，这是误差产生的一个原因，其次因为结型场效应管受温度影响会产生一定的误差，示波器测量时测量值会跳动，给读取测量结果带来一定的误差。

为减小温度影响带来的误差， 对整个系统进行软件补偿， 在1～100 之间取点， 相邻两点之间认为D/A 输出与运放的放大倍数满足线性关系， 实验中取了24 个点，实验结果与实测结果较近，在整个范围内极大地减小了误差，而且取点越多误差就越小。

5 结语

系统应用C8051F020 单片机，采用基于结型场效应管压控放大电路实现对小信号的放大和采集，有效抑制噪声，采用场效应管实现的可变电阻变化范围大，克服了数字电位器、模拟开关等有触点放大电路的噪声问题，配合复杂软件，实现了对放大倍数的精确控制，是一款低噪声高精度的小信号可程控放大器，可适应频率在一定范围变化的模拟信号，因此能够在自动控制系统、智能仪器仪表中得到应用。