学生对相关课程内容的理解，提高在综合实践、毕业设计、电子设计竞赛和应用开发中的创新能力。
关键词：程控放大器；设计方法；增益带宽积；总结与分析
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2016）20-0062-03
Abstract： Program-controlled amplifier is widely used in data acquisition system and automatic instrument. The design of program-controlled amplifier is one of the key and difficult points in the course of electronic system design. In this paper， five kinds of design proposals were summarized， their features were compared and the relationship between gain and bandwidth of amplifier was analyzed. This research is helpful to the understanding of the relevant course content for students majored in electronic information engineering， and can improve the innovation ability in the comprehensive practice， graduation design， electronic design competition and application development.
Keywords： program-controlled amplifier； design method； gain bandwidth product； summary and analysis
引言
放大电路是模拟信号采集的核心环节，基于集成运放的放大电路设计与应用是当前技术的主流。程控放大器可以通过单片机、嵌入式微处理器来控制其增益，常用于数据采集系统或自动化仪表中[1]。程控放大器设计综合了模拟电路、微处理器、软件编程等相关知识点，是电子系统设计课程的重点和难点内容之一[2]，对于电子信息工程专业学生进行综合实践、毕业设计、电子设计竞赛和应用开发等非常重要[3]。因此文章根据教学实践归纳、分析了多种程控放大器设计方法，期望有助于学生掌握相关课程内容，并应用在创新创业实践中[4]。
一、程控放大器设计方案及比较
程控放大器采用微处理器进行增益控制，放大部分由集成运放及外围元器件组成。其基本原理是由软件调节反馈电阻RF的阻值，从而实现增益-RF/R的自动控制，如图1所示。
由于实现反馈电阻调节的器件或方式多种多样，因此程控放大器有多种设计方案。归纳起来，一般有三大类共五种设计方法，并具有各自的特点：采用专用程控放大器芯片；在通用型运放构成的放大电路基础上，采用模拟多路选择器或继电器来选择不同阻值的反馈电阻，或者采用数字电位器改变反馈电阻，从而实现增益控制；采用乘法型D/A转换器和通用型运放来实现程控放大。
（一）采用专用程控放大器芯片的设计方法
将专用的可编程增益放大器如PGA202、PGA205、PGA113等与单片机、嵌入式微处理器结合，可构成高性能的程控放大电路。以PGA205为例，其方案原理如图2所示。
PGA205是价格较低、用途广泛的可编程增益放大器芯片，放大倍数分为四档，分别为1、2、4和8倍，可以通过软件编程改变微处理器相应端口的输出逻辑电平，控制PGA205地址端A1、A0的不同组合，按照表1对其放大倍数进行数字选择。
表1 PGA205的放大倍数与编程逻辑的关系
该方案的特点是集成度高，电路简单，但是增益档位有限且固定，一般是4档或8档可调。
（二）采用通用型运放+模拟多路选择器的设计方法
在通用型运放构成的放大电路基础上，用微处理器控制模拟多路选择器（即多路开关）来选择不同阻值的反馈电阻，从而实现增益的控制。以模拟多路开关MAX308为例，其方案原理如图3所示。
MAX308是8選1模拟多路开关，由地址线A2、A1和A0的不同电平组合来控制COM端与NO1至NO8端的连接，分别选通反馈电阻Rf1至Rf8，从而实现8档增益调节。可根据档位需要选用4选1等不同模拟多路开关，或者将多个模拟多路开关并联使用，构成更多的档位选择。该方案的特点是原理简单，集成度较高，但是增益档位是有限的，更为关键的是模拟多路选择器的导通电阻不为零、截止电阻不为无穷大，且是非线性，误差较大，不宜用于精密放大。
（三）采用通用型运放+继电器的设计方法
此方法与方法2类似，只是用电磁继电器代替模拟多路选择器，由微处理器控制继电器的闭合与断开，选通不同的反馈电阻。其原理示意图如图4所示。
由于电磁继电器的导通和截止性能优异，采用精密电阻，该方案适合进行精密放大，在自动化仪器仪表中广泛应用。不过体积稍大，增益档位也是有限的。
（四）采用通用型运放+数字电位器的设计方法
数字电位器是通过开关控制电阻网络接点的连接方式来改变电阻值的半导体器件，可直接与通用型运放组成程控增益放大器。以Xicor公司出品的X9C系列数字电位器X9C103为例，其方案原理如图5所示。
X9C103由计数器、非易失性存储器、译码器、电阻网络和控制电路组成，其最大阻值为10KΩ，分100档调节。数字电位器的两个端点VH和VL之间有一个由99个相同电阻串联组成的电阻网络，这些电阻每两个之间的连接点上均有一个CMOS开关管作为开关，由译码器对计数器结果译码进行控制，开关管导通时就把电位器的中间抽头VW端连接在该点上，从而获得不同的阻值。数字电位器可通过微处理器的3根I/O引脚控制，U/D端控制计数方向，该引脚高电平时为加计数，低电平时为减计数；INC端为计数脉冲输入，下降沿触发计数；CS为片选信号输入，低电平有效。当CS由低电平恢复为高电平，且INC处于高电平时，计数值被存入非易失性存儲器中，因此当电路掉电后再次上电时，数字电位器中仍保存着原有的控制数据，其中间抽头到两端点之间的电阻值仍是上一次的调整结果。
该方案的优点是原理简单，集成度高，调节档位多，缺点是精度不足，抗干扰性稍差。
（五）采用乘法型D/A转换器和通用型运放的设计方法
放大电路由数字可编程衰减器与固定增益放大器级联组成，其原理如图6所示。
由n位乘法型D/A转换器构成的数字可编程衰减器是该方案的核心。模拟信号从D/A转换器的VREF端输入，输出电压V01的表达式为：
V01=-■？撞■■D■2■=-■×V■ （1）
其增益A1=-D/2n，只要由微处理器改变数字量D，就可以改变增益A1，步长为1/2n。该方案可近似获得任意倍数的增益控制。
二、放大器的增益与带宽分析
在程控放大器的设计中，还有一个非常重要的问题需要解决，那就是增益与带宽的关系。一般来说输入模拟信号较微弱，为了获得伏级输出，要求放大电路具有较大的增益；但是由于带宽与增益成反比，为了使带宽满足设计要求，放大器的增益不宜太大。因此，为了同时满足增益和带宽的要求，不能采用单级放大结构，而要采用多级放大器级联的模式。
根据图7，放大电路增益与带宽有如下的关系：
ft=A0*fb=AF*fB （2）
其中，ft为单位增益频率，A0为开环增益，fb为开环-3dB频率，AF为放大电路增益，fB为放大电路带宽。
以一个实例来说明放大器增益与带宽的分析及设计过程——用运算放大器LM741设计一个增益为60dB、带宽≥20kHz的放大电路。
查阅LM741的数据手册可知，其fb=5Hz，ft=1MHz。由201gx=60可得增益x=1000；如果采用单级放大，则由（2）式计算可知不能同时满足增益与带宽要求，即：
IMHZ=A×20kHz，得A=50 如果采用两级放大级联的方案，设前级增益为20、后级增益为50，则： 当A1=20时，f1==50k，满足带宽要求；当A2=50时，f2==20K，满足带宽要求。因此，最终的放大电路设计如图8所示。 三、结束语 程控放大器设计不仅是电子信息工程专业课“电子系统设计”中的重要内容，而且是电子工程师应用开发中的必备技术。由于涉及到多个知识点的综合运用，程控放大器设计是相关教学和实践中的难点。文章归纳、总结了三大类共五种程控放大器的设计方案，详细介绍了各自的组成原理和优缺点，并通过实例阐述了放大器增益与带宽的分析及设计过程。文章研究结果有助于电子信息工程专业学生对相关课程内容的理解和融会贯通，提高在综合实践、毕业设计、电子设计竞赛和应用开发中的创新能力。 参考文献 [1]贾立新，王涌，陈怡.电子系统设计与实践（第3版）[M].清华大学出版社，2014. [2]江朝晖.电子系统设计教学的问题分析与方法探讨[J].教育教学论坛，2013，3：80-81. [3]朱朝霞，詹雯，唐建祥，等.电子实习多层次开放式实践教学体系的构建[J].电气电子教学学报，2016，38（2）：140-142. [4]江朝晖.地方性农业高校电子信息类人才创新培养模式研究与实践[J].高教学刊，2015，20：34-35.