高频宽增益小信号放大器的设计及在医用超声功率计中的应用--《中国医疗器械杂志》2003年05期
高频宽增益小信号放大器的设计及在医用超声功率计中的应用
【摘要】：介绍供医用超声功率计用的两种高频、宽增益的小信号放大器,并比较了它们彼此的优缺点。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TN722【正文快照】：
引言 由于超声诊断的无创、实时动态和可对血流进行观察的特点,它越来越多地被应用在产前对胎儿的检查,因而,超声诊断检查对胎儿的安全性,成为医学工作者所关注的问题。于是,对超声安全性的研究也更全面,更具体[1,“,”】。超声的生物学效应主要表现在机械效应、热效应、空化
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京公网安备74号自控电路中自动增益电路小结
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我的博客已经搬家到
&欢迎访问熊伟博士的网站！ 本文永久链接 1.自动增益控制使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的控制方法，实现这种功能的电路简称ＡＧＣ环路。它广泛用于各种接收机、录音机和测量仪器中，它常被用来使系统的输出电平保持在一定范围之内，因而也称为自动电平控制；用于话音放大器或收音机时，称为自动音量控制。2.ＡＧＣ电路是闭环电子电路，它可以分成增益受控放大电路和控制电压形成电路两部分。增益受控放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压而改变。控制电压形成电路的基本部件是ＡＧＣ检波器和低通平滑滤波器，有时也包含门电路和直流放大器等部件。3.放大电路的输出电压经检波并经滤波器滤除低频调制分量和噪声后，产生用以控制增益受控放大器的电压。放大电路增益的控制方法通常有：①改变晶体管的直流工作状态，以改变晶体管的电流放大系数；②在放大器各级间插入电控衰减器；③用电控可变电阻作放大器的负载等。4.简式ＡＧＣ产生ＡＧＣ控制电压的方法很多。用途和要求各异，ＡＧＣ环路的构成也不相同。为了提高ＡＧＣ环路的控制能力，可以将同时加到收音机的各级中频放大器和高频放大器。控制电压的大小随中频输出电压的平均值而变化，因而又称平均值型自动增益控制。有的接收机（例如电视机）对中频输出电压进行峰值检波产生所需的控制电压，称为峰值型ＡＧＣ电路。简式电路的特点是电路简单，缺点是不论输入信号高低环路都起作用，这对接受微弱信号不利。5.延迟－放大式ＡＧＣ这种电路只有当接收机中频放大器的输出大得足以使检波后的控制电压超过规定的偏置电压时，ＡＧＣ环路才起作用。在ＡＧＣ二极管上加一个反向偏置电压，就可以实现延迟控制的作用。为了提高ＡＧＣ环路的控制性能，可在低通滤波器后加接直流放大器，从而使受控放大电路的增益发生足够的变化来适应输入信号强度的变化。直流放大器的放大倍数越大，在同样的下输出电压的变化就越小。但放大倍数不宜太大，否则ＡＧＣ环路可能不稳定。这种延迟－放大式环路广泛用于各种通信接收机。6.自动增益电路还有若干其他的型式。例如雷达接收机往往只要求利用所需要的目标回波信号来控制放大电路的增益。为此可采用门电路选出有关目标的回波，再由检波器和相应的平滑电路产生控制电压。这种方式称为选通型自动增益控制。有些雷达接收机还采用所谓时间增益控制的电路　（ＳＴＣ）。采用这种电路的接收机在发射雷达脉冲之后，其增益随时间的增加而自动增加，因而不论目标远近输出信号都能基本上保持稳定。&
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35 双调谐回路谐振放大器
4多级双调谐回路谐振放大器 双调谐放大器矩形系数与级数的关系
级数 m 1 2 3 4 5 6 7 8 矩形 系数 32 22 195 185 178 176 172 172 单调谐放大器矩形系数与级数的关系
级数 m 1 2 3 4 5 6 7 8 矩形 系数 995 490 374 340 320 310 300 293 结论随着双调谐回路放大器级数的增加总的通频带变窄矩形系数得到改善 36 谐振放大器的稳定性与稳定措施
Prev Next 以上在讨论谐振放大器时都假定了反向传输导纳yre 0即晶体管单向工作输入电压可以控制输出电流而输出电压不影响输入电流实际上yre≠0即输出电压可以反馈到输入端引起输入电流的变化从而可能使放大器工作不稳定如果这个反馈足够大且在相位上满足正反馈条件则会出现自激振荡现象
1 谐振放大器的稳定性 36 谐振放大器的稳定性与稳定措施
Prev Next 2 单向化 由于yre的存在晶体管是一个双向的器件增强放大器的稳定性可以考虑晶体管的单向化 单向化的方法 ⑴中和法 ⑵失配法 36 谐振放大器的稳定性与稳定措施
Prev Next ⑴中和法
消除yre的反馈 中和法是指在晶体管放大器的输出与输入之间引入一个附加的外部反馈电路以抵消晶体管内部 yre 的反馈作用
C 2 4 1 3 L1 ＋ － ＋ － CN Cbc 中和电路的原理图
36 谐振放大器的稳定性与稳定措施
消除yre的反馈 C 2 4 1 3 L1 ＋ － ＋ － CN Cbc 中和电路的原理图
接收机中常用的中和电路 ★中和电路只能对一个频率点实现完全中和因晶体管参数是随频率变化的而 CN 不随频率变化 36 谐振放大器的稳定性与稳定措施
⑵失配法 用失配法实现晶体管单向化常用的办法是采用共射共基级联电路组成的调谐放大器其稳定性较高得到了广泛的应用 失配法原理图 Yi YL 参见P63 式326 VT2 36 谐振放大器的稳定性与稳定措施
正在加载中，请稍后...MCP6S2X系列是Mro Technology公司推出的可编程增益放大器，可广泛用于多路模拟传输应用、信号采集、A／D转换驱动和信号测量系统中。文中介绍了MCP6S2X系列的结构和功能，并通过多路信号采集的比较说明了该芯片的主要特点。最后给出了一个MCP6S2X的实用电路。
MCP6S2X；程控增益放大器；多路信号采集
在实际的电路应用中,模拟信号的采集是一个重要环节。工业控制一般需要采集各种现场参数（如温度、压力、流量等），并对这些参数进行处理。往往比较难处理的是信号采集部分。随着微电子技术的发展，数字信号的处理无论从精度和速度上来说，都在不断提高。剩下的问题是如何方便地将模拟数据采集到中。
在许多嵌入式设计中，微控制器或者数字信号处理器需要处理若干个模拟信号才能完成一种控制功能或者一系列控制任务。这些模拟信号往往需要先经过某种处理（例如、缓冲、或者放大），然后处理器才能精确地对它们进行转换，至少要把信号放大到系统能够使用的。因此，选择合适的元器件将会对电路的设计起到事半功倍的作用。
Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司推出的可编程增益放大器(Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｉｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ, ＰＧＡ)已将放大器、ＭＵＸ和利用ＳＰＩ总线选择的增益控制器整合在了一起，从而可以协助用户有效地提升系统的数码仿真控制效能。新器件专供各种工业和仪器市场以及信号和传感处理领域使用。新款ＭＣＰ６Ｓ２ｘ系列器件除可提供放大器功能外，还可为系统设计提供数码控制效能，用户可在ＳＰＩ总线上对系统进行编程，并可通过有效控制增益和选择输入信道来得到更大的设计灵活性。此外，由于ＰＧＡ不需要反馈和输入，因此，还可大幅减低成本并节省机板空间。１　ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ芯片的功能和参数
Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司的ＭＣＰ６Ｓ２１／２／６／８ 是模拟增益可编程运放(ＰＧＡ)芯片。该芯片的增益可设置为＋１～＋３２Ｖ／Ｖ,而且具有输入通道选择功能, 可通过ＳＰＩ总线选择增益水平和输入信道，以扩大微控制器的仿真输入范围，同时可减少对输入／输出管脚数量的需求，从而降低微控制器的成本。此外，单一信号路径的多重信道还可协助系统进行仿真信号路径的校准，以提高时间和温度的准确度。该器件宽广的频带特别适用于以较低运行的放大器，并可减少产品对功率的需求。
１．１ 芯片引脚定义
新款ＭＣＰ６Ｓ２１和ＭＣＰ６Ｓ２２具有８脚ＰＤＩＰ、ＳＯＩＣ和ＭＳＯＰ封装，ＭＣＰ６Ｓ２６采用１４管脚ＰＤＩＰ、ＳＯＩＣ和ＴＳＳＯＰ封装，ＭＣＰ６Ｓ２８则采用１６管脚ＰＤＩＰ、ＳＯＩＣ和ＴＳＳＯＰ封装。它们的引脚排列如图１所示，表１所列是其引脚功能。表1 MCP6S2X系列芯片引脚定义（MCP6S28为例）
管& 脚& 名
SPI时钟输入
SPI串行数据输入
SPI串行数据输出
１．２ 特性参数
●输入通道数: １、２、６或８个通道可选；
●频宽：２ＭＨｚ～１２ＭＨｚ；
●有８种增益选择，分别为：＋１,＋２,＋４,＋５,＋８,＋１０,＋１６或＋３２Ｖ／Ｖ；
●ＴＤＨ＋Ｎ：０．００１２％；
●带有串行外围设备接口(ＳＰＩ)；
●增益误差低:±１％(最大)；
●偏移低:±２７５μＶ(最大)；
●带宽:２～１２ＭＨｚ(典型)；
●噪音低:１０ｎＶ／ｒｔＨｚ(典型)；
●电源电流低:１．０ｍＡ(典型)；
●偏置电压低：２７５μＶ（典型）；
●稳定时间：２００ｎｓ；
●单电源供电电压:２．５Ｖ～５．５Ｖ；
●工作温度范围：－４０～８５℃。２　工作原理
ＭＣＰ６Ｓ２８芯片的内部结构图（其它类似）如图２所示。由图可见，ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ芯片内部由一些简单的功能模块构成，可共同完成多路选择、可变增益调节等功能。ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ具有多路选择输入（ＭＵＸ）模块，共有八路输入，可由软件设置通道选择。不用的输入引脚应悬空，以使输入电流最小。当然，接ＶＤＤ或ＶＳＳ时，芯片也能正常工作?但输入电流会变大。
内部运放部分主要由运放、增益转换器、梯形(ＲＬＡＤ＝ＲＦ＋ＲＧ)等组成，可完成信号的放大和带宽选择，提高输出电压的精确性。
ＳＰＩ逻辑控制部分主要提供片选信号、同步时钟、串行输入输出、上电复位、控制指令和数据读写以完成通路选择和增益控制等功能。上电复位电路ＰＯＲ（Ｐｏｗｅｒ－Ｏｎ Ｒｅｓｅｔ）的功能是：当电源电压低于ＰＯＲ的限定电压时?ＶＤＤ＜ＶＰＯＲ≈１．７Ｖ?，使内部ＰＯＲ电路复位所有的内部寄存器，并使芯片运行在关机模式下。当ＶＤＤ大于ＶＰＯＲ时，ＰＯＲ又使芯片恢复正常。另外，用ＭＣＰ６Ｓ２６、ＭＣＰ６Ｓ２８还可以实现多个芯片的连接，其连接形式为串行接口方式。多片连接时，前一个芯片的ＳＯ引脚应连到后一个芯片的ＳＩ引脚，依此类推，它们可共用ＳＣＫ和ＣＳ引脚。３　几种多路采集电路的比较
在传统的电路设计中，每个模拟信号需用一个运算放大器进行电压调节和，然后送到处理电路（参见图３）。这样，在处理４路模拟信号的传统设计中，最少需要４个运算放大器、８个、并需占用处理器４个Ｉ／Ｏ引脚(片内含采样保持Ａ／Ｄ转换)。
为了克服传统设计的缺点，可采用多路复用方式，这是目前最常用的方式。但应注意，很多信号并不需要连续不断地测量，所以可使用非同时进行采样的方案。在需要使用高性能运算放大器的设计中，如果采用非同时进行采样的方案，则可用一个运算放大器，然后在它前面接一个多路复用器（ＭＵＸ），再通过它把几路模拟信号接到一个共用的放大器上。这样，多路复用器就会按照处理要求，把各路模拟信号接到运放上去。其实现方案如图４所示。
使用多路复用器可以减轻传统系统设计中存在的问题。它可将占用的处理器Ｉ／Ｏ减少到一个，所有需要放大的信号只需要用一只高性能的运算放大器即可。
该方案由于减少了元件的数量，因此所需要的电流以及在电路板上占用的空间也减少了。但同时，该方案也需要增加某些元件的成本和数量。有些比较新的器件看起来较为经济有效，但是控制起来并不容易，所以并不适合现代嵌入式控制系统使用。为了控制增益或选择信号，这些器件在接到处理器上时，同样需要使用较多的Ｉ／Ｏ引脚。因此，这种系统所用器件比较多，不利于进一步提高集成度，而且易受干扰。
对于上述情况，若使用一只ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ增益可编程放大器，那么前面讲到的处理多路模拟信号的系统所存在的问题便迎刃而解了。处理器上的ＳＰＩ端口可用来把命令送到ＭＣＰ６Ｓ２８增益可编程放大器上，以便选择把哪一路信号接到处理器，同时也可以改变放大器的增益。这样，就有可能改变每一路信号的增益，而且可以在处理信号的同时改变增益。如果系统发现信号太弱，处理器就可以增大这个信号的增益。当信号达到较高的电平时，处理器则可以降低增益。图５是采用ＭＣＰ６Ｓ２ｘ系列器件进行设计的方案示意图。４　应用电路
图６为ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ系列芯片的应用硬件连接图?笔者在设计“工艺对象仿真装置”数据采集板时?项目要求对加热炉对象进行仿真?该对象为多输入多输出对象，它不仅需要输入温度、压力等参数，也要有扰动信号（随机干扰和确定性干扰）。该对象的多个输入参数被采集到中后，单片机将根据该对象的传递函数进行处理或通过串口将数据传到计算机中进行处理?并最后输出仿真结果。
本设计采用６通道的ＭＣＰ６Ｓ２６来进行，因为ＡＴ８９Ｃ５２单片机没有三线制串行总线接口，所以，在它与ＭＣＰ６Ｓ２６通过三线制串行总线连接时，应使用软件模拟三线制串行总线来操作，包括串行时钟、数据输入和数据输出。因此，可用Ｐ１．７来模拟片选端ＣＳ，Ｐ１．４模拟时钟输入端ＳＣＫ，Ｐ１．６模拟数据输入端ＳＩ，Ｐ１．５模拟数据输出端ＳＯ。为节约单片机的Ｉ／Ｏ口，设计中还选用了串行总线（Ｉ２Ｃ总线）Ａ／Ｄ转换芯片ＴＬＣ０８３２。&&& 对ＭＣＰ６Ｓ２６进行操作的控制字节和数据字节均从ＳＩ引脚输入，并在写入数据的串行时钟（ＳＣＫ）上升沿被锁存。从芯片读取的数据则从ＳＯ引脚串行移出，并在串行时钟的下降沿输出。整个数据交换期间，ＣＳ必须保持低电平。５　结论
ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ增益可编程放大器特别适用于多路信号采集电路的设计，因而可广泛应用于Ａ／Ｄ转换驱动控制、数据采集、测试设备、多路传输模拟应用、工业以及医疗仪器等方面。由于处理器是通过软件对模拟信号电路进行控制，所以其适应性和灵活性很高。采用ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ增益可编程放大器时，原来需要较多元件的设计现在仅需一个元件即可，因此可以大大简化以前复杂的电路设计，提高工作效率。
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