一种具有温度补偿的智能程控高增益放大器

摘要

本发明公开了一种具有温度补偿的智能程控高增益放大器，涉及电子电路技术领域，包括：频率检测模块，主控制模块，电压控制模块，程控放大模块，升压放大模块，电源模块，温度补偿模块；所述频率检测模块检测输入信号频率，主控制模块用于接收信号并输出控制信号，电压控制模块用于调节直流电压，程控放大模块用于可调一级放大，升压放大模块用于功率放大，电源模块用于提供电源，温度补偿模块用于温度补偿。本发明具有温度补偿的智能程控高增益放大器采用微控制器通过控制直流电压的方式实现对增益带宽可调放大器的控制和升压式的功率放大器对信号进行功率放大，并采用温度补偿，提高放大器的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，具体是一种具有温度补偿的程控放大器。

背景技术

在自动控制及自动测量系统中，需要把一些非电量的参数，如温度、湿度、转速、压力等通过传感器转变为电信号，这些微弱的电信号需经过一定的放大过滤处理才能被准确的提取，当被测信号的幅值变化范围较大时，为保证测量精度的一致性，需改变放大器量程，通常采用程控放大器实现，输出的信号通过功率放大进而驱动所需负载，但是传统的程控放大器仍然采用手动程控开关或通过数字编码控制的方式控制模拟开关切换增益电阻进而改变程控放大器的增益效果，需要人工实时监控且增益电阻阻值一定，无法更精确的调节程控放大器的增益，并且功率放大模块中，晶体管的性能会随温度的升高而变化，传统的偏置又难以在较大的温度范围内使功率放大电路保持稳定。

发明内容

本发明实施例提供一种具有温度补偿的智能程控高增益放大器，以解决上述背景技术中提出的问题。

依据本发明实施例中，提供一种具有温度补偿的智能程控高增益放大器，该具有温度补偿的智能程控高增益放大器包括：频率检测模块，主控制模块，电压控制模块，程控放大模块，升压放大模块，电源模块，温度补偿模块；

所述频率检测模块，用于对输入信号进行放大、升压、整形和电压转换处理并输出方波信号；

所述主控制模块，连接所述频率检测模块的输出端，用于接收和处理所述方波信号，用于输出控制信号；

所述电压控制模块，连接所述主控制模块的输出端，用于接收所述控制信号并调节输出的直流电压；

所述程控放大模块，连接所述电压控制模块的输出端，用于将所述电压控制模块输出的直流电压转换为负电压，用于改变程控放大器的增益大小并输出电压信号；

所述升压放大模块，连接所述程控放大模块的输出端，用于对所述程控放大模块输出的电压信号进行功率放大；

所述电源模块，连接所述升压放大模块的电源端，用于扩展所述升压放大模块的输出电压幅度，用于增大所述升压放大模块的输出电流；

所述温度补偿模块，连接所述升压放大模块的输出端，用于对所述升压放大模块进行温度补偿。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明具有温度补偿的智能程控高增益放大器采用微控制器控制的方式实现对增益带宽可调放大器的控制，利用微控制器改变输入的直流电压进而改变放大器的量程，改变放大器的增益效果，并对于幅值变化范围大的被测信号，采用升压式的功率放大电路对信号进行功率放大，提高对负载电阻的驱动能力，对功率放大电路的电源通过两个三极管供电，避免功率放大电路失真，并且为保证功率放大电路在高温或低温内保持稳定，采用温度反馈的自适应偏置网络对功率放大电路进行温度补偿，保持放大器的高线性度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实例提供的一种具有温度补偿的智能程控高增益放大器的原理方框示意图。

图2为本发明实例提供的频率检测模块的原理方框示意图。

图3（A）和图3（B）均为本发明实例提供的一种具有温度补偿的智能程控高增益放大器电路图。

图4为本发明实例提供的温度补偿模块电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例提供一种具有温度补偿的智能程控高增益放大器，该具有温度补偿的智能程控高增益放大器包括：频率检测模块1，主控制模块2，电压控制模块3，程控放大模块4，升压放大模块5，电源模块6，温度补偿模块7；

具体地，所述频率检测模块1，用于对输入信号进行放大、升压、整形和电压转换处理并输出方波信号；

主控制模块2，连接所述频率检测模块1的输出端，用于接收和处理所述方波信号，用于输出控制信号；

电压控制模块3，连接所述主控制模块2的输出端，用于接收所述控制信号并调节输出的直流电压；

程控放大模块4，连接所述电压控制模块3的输出端，用于将所述电压控制模块3输出的直流电压转换为负电压，用于改变程控放大器的增益大小并输出电压信号；

升压放大模块5，连接所述程控放大模块4的输出端，用于对所述程控放大模块4输出的电压信号进行功率放大；

电源模块6，连接所述升压放大模块5的电源端，用于扩展所述升压放大模块5的输出电压幅度，用于增大所述升压放大模块5的输出电流；

温度补偿模块7，连接所述升压放大模块5的输出端，用于对所述升压放大模块5进行温度补偿。

在具体实施例中，上述频率检测模块1可采用运算放大器配合周围元器件对输入信号进行一级放大、升压、整形和电压转换处理，最终输出频率与输入信号一致的方波信号，用于主控制模块2进行频率测量；上述主控制模块2可采用STM32系列单片机作为核心控制器，通过内部软件系统对信号的接收处理，并输出控制控制信号控制该放大器的变化；上述电压控制模块3在此采用数模转换器U2即可，由第一控制器U1控制直流电压的产生；上述程控放大模块4可采用反相器将输入的直流电压转换为负电压，并采用程控放大器构成一级放大电路，通过负电压的变化而改变该程控放大器的放大增益；上述升压放大模块5可采用运算放大器对上述程控放大模块4输出的信号进行电压放大，并采用由晶体管组成的放大器对该运算放大器输出的信号进行放大，实现上述程控放大模块4输出信号的电流放大，继而完成功率放大；上述电源模块6可采用两个三极管向上述升压放大模块5提供自稳压电源，避免上述升压放大模块5出现严重失真；上述温度补偿模块7可采用温度反馈型的自适应偏置网络，通过晶体管和电阻分担上述升压放大模块5中放大器的部分电流，保证升压放大模块5中放大器的静态电流不随温度发生变化。

实施例2：在实施例1的基础上，请参阅图2，在本发明所述的具有温度补偿的智能程控高增益放大器的一个具体实施例中，所述频率检测模块1包括信号放大单元101、电压控制单元102、信号整形单元103和电压转换单元104；

具体地，所述信号放大单元101，用于对输入信号进行一级放大处理并输出一级放大信号；

电压控制单元102，用于提高所述一级放大信号的电压并输出；

信号整形单元103，用于将所述电压控制单元102输出的信号进行整形并输出；

电压转换单元104，用于将所述信号整形单元103输出的信号进行电压转换并输出频率与输入信号一致的方波信号；

该信号放大单元101的输出端连接电压控制单元102的输入端，电压控制单元102的输出端连接信号整形单元103的输入端，信号整形单元103的输出端通过电源转换单元连接主控制模块2的定时端。

在具体实施例中，上述信号放大单元101、电压控制单元102和信号整形单元103均可采用OP07系列运算放大器，信号放大单元101由运算放大器组成一级放大电路对输入的信号进行一级放大，电压控制单元102由运算放大器组成直流偏置电路，改变放大后信号的电压，使输出信号的电压满足上述信号整形单元103的接收电压，信号整形单元103由运算放大器组成比较电路，对输入的信号进行整形；上述电压转换单元104可选用SN74LVC1G14施密特反相器进行电压转换，输出频率与输入信号一致的方波信号。

实施例3：在实施例1的基础上，请参阅图3（A）、图3（B）和图4，在本发明所述的具有温度补偿的智能程控高增益放大器的一个具体实施例中，所述主控制模块2包括第一控制器U1，所述电压控制模块3包括数模转换器U2；

具体地，所述第一控制器U1的第一输出端连接数模转换器U2的输入端，数模转换器U2的输出端连接所述程控放大模块4的增益控制端；

进一步地，所述程控放大模块4包括第一运放OP1A1、第一电阻R1、第二电阻R2和第一电源VCC1；

具体地，所述第一运放OP1A1的反相端连接第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端，第一电阻R1的另一端连接第一电源VCC1，第一运放OP1A1的同相端连接数模转换器U2的输出端，第一运放OP1A1的输出端连接第二电阻R2的另一端。

进一步地，所述程控放大模块4还包括控制放大器U3、第四电阻R4、第一电容C1、第五电阻R5、第二电容C2、信号输入接口P1、第六电阻R6、第二电源+VS和第三电源-VS；

具体地，所述控制放大器U3的第一端连接第二电容C2的一端和第六电阻R6的一端，第二电容C2的另一端连接信号输入接口P1的一端，信号输入接口P1的另一端和第六电阻R6的另一端接地，控制放大器U3的第八端通过第五电阻R5接地，控制放大器U3的第三端连接第一电容C1的一端和第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端连接第一运放OP1A1的输出端，第一电容C1的另一端接地，控制放大器U3的第六端和第七端分别连接第二电源+VS和第三电源-VS，控制放大器U3的第五端连接第六电阻R6的第一端。

进一步地，所述升压放大模块5包括第二运放OP2、第七电阻R7、第八电阻R8、第十三电阻R13、第三电容C3、第十四电阻R14、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一二极管D1、第二二极管D2、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第一晶体管VT1和第二晶体管VT2；

具体地，所述第二运放OP2的反相端连接第六电阻R6的第二端和第八电阻R8的一端，第二运放OP2的同相端通过第七电阻R7接地，第八电阻R8的另一端连接第二运放OP2的输出端、第三电容C3的一端、第四电容C4的一端、第五电容C5的一端、第六电容C6的一端、第十五电阻R15的一端和第十六电阻R16的一端，第三电容C3的另一端、第五电容C5的另一端、第一二极管D1的阴极和第一晶体管VT1的基极均连接第十三电阻R13的一端，第一晶体管VT1的集电极连接第十三电阻R13的另一端，第一二极管D1的阳极连接第十五电阻R15的另一端，第四电容C4的另一端、第六电容C6的另一端、第二二极管D2的阳极和第二晶体管VT2的基极连接第十四电阻R14的一端，第十四电阻R14的另一端连接第二晶体管VT2的集电极，第二二极管D2的阴极连接第十六电阻R16的另一端，第一晶体管VT1的发射极连接第二晶体管VT2的发射极。

进一步地，所述电源模块6包括第四电源VCC2、第五电源VCC3、第一开关管N1、第二开关管N2、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11和第十二电阻R12；

具体地，所述第四电源VCC2连接第一开关管N1的发射极、第九电阻R9的一端和所述第一晶体管VT1的集电极，第九电阻R9的另一端连接第十电阻R10的一端和第一开关管N1的基极，第一开关管N1的发射极连接第二运放OP2的第一电源VCC1端，第十电阻R10的另一端连接第二运放OP2的输出端和第十一电阻R11的一端，第十一电阻R11的另一端连接第二开关管N2的基极和第十二电阻R12的一端，第五电源VCC3连接第二开关管N2的集电极、第十二电阻R12的另一端和所述第二晶体管VT2的集电极。

进一步地，所述温度补偿模块7包括第十七电阻R17、第三晶体管VT3、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第二十二电阻R22、第二十三电阻R23、第二十四电阻R24、第四晶体管VT4、第五晶体管VT5、第六晶体管VT6、第七电容C7、基准电压源VREF和第六电源VCC4；

具体地，所述第十七电阻R17的一端、第十八电阻R18的一端和第二十电阻R20的一端连接基准电压源VREF，第十七电阻R17的另一端连接第三晶体管VT3的集电极和第四晶体管VT4的基极，第十八电阻R18的另一端连接第四晶体管VT4的集电极和第五晶体管VT5的基极，第二十电阻R20的另一端连接第七电容C7、第五晶体管VT5的集电极和第六晶体管VT6的基极，第四晶体管VT4的发射极通过第十九电阻R19接地，第五晶体管VT5的发射极通过第二十一电阻R21接地，第三晶体管VT3的基极通过第二十二电阻R22连接第六晶体管VT6的发射极和第二十三电阻R23的一端，第二十三电阻R23的另一端连接所述第一晶体管VT1的基极，第三晶体管VT3的发射极接地，第六晶体管VT6的集电极连接第六电源VCC4。

在具体实施例中，上述第一控制器U1可选用STM32F103RET6微控制器作为核心控制器，用于对输入信号进行处理分析，并输出控制信号；上述数模转换器U2由第一控制器U1控制并产生上述控制放大器U3所需的直流电压，具体型号不做限定；上述第一运放OP1A1可选用OP07系列运算放大器，在此作反相器使用，用于将上述数模转换器U2产生的直流电压转换为负电压；上述控制放大器U3可选用VCA810可变增益放大器组成一级放大电路，通过改变控制放大器U3的第三端施加的直流电压控制该控制放大器U3增益的大小；上述第二运放OP2可选用THS3001运算放大器组成的电压放大电路，用于上述控制放大器U3输出的信号进行电压放大；上述第十三电阻R13、第三电容C3、第十四电阻R14、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一二极管D1、第二二极管D2、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第一晶体管VT1和第二晶体管VT2组成电流放大电路，实现对上述控制放大器U3输出信号的电流放大，继而完成功率放大；上述第一开关管N1和第二开关管N2可选用NPN型三极管，通过三极管的发射极提供稳压，导致第二运放OP2的供电电压随第二运放OP2的输出电压变化而变化，同时第二运放OP2的第一电源VCC1端和第二电源+VS端的电压差保持不变；上述第一晶体管VT1和第二晶体管VT2可选用异质结双极型晶体管；上述第三晶体管VT3、第四晶体管VT4、第五晶体管VT5和第六晶体管VT6均可采用NPN型三极管，通过第三晶体管VT3、第四晶体管VT4、第五晶体管VT5和第六晶体管VT6向上述第一晶体管VT1提供一个随第一晶体管VT1开启电压变化的静态偏置电压，保证第一晶体管VT1的静态电流不随温度发生改变。

在本发明实施例中，频率检测模块1通过对输入信号进行信号放大、升压、整形和电压转换处理，并输出与输入信号频率一致的方波信号供主控制模块2中的第一控制器U1接收，第一控制器U1通过内部软件系统对接收的方波信号进行处理分析得知该输入信号的频率信息，输入信号还通过程控放大模块4进行一级放大处理，其中程控放大器的放大增益由电压控制模块3输出的直流电压值控制，且电压控制模块3产生的直流电压值由主控制模块2控制，程控放大模块4输出的信号通过升压放大模块5进行功率放大，最后用放大的信号驱动所需的负载电阻，其中电源模块6有助于防止升压放大模块5出现严重的截止失真，温度补偿模块7有助于升压放大模块5中晶体管的静态电流不随温度变化，提高升压放大模块5的放大线性度，在程控放大模块4中，通过对控制放大器U3的第三端施加直流电压来控制增益的大小，控制电压和增益的函数关系为增益（G）=-40（直流电压（Vin）+1）；在升压放大模块5中，通过第二运放OP2组成的电压放大电路，对所述控制放大器U3输出的信号进行电压放大；通过第十三电阻R13、第三电容C3、第十四电阻R14、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一二极管D1、第二二极管D2、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第一晶体管VT1和第二晶体管VT2组成电流放大电路，对所述控制放大器U3输出的信号进行电流放大，继而对所述控制放大器U3输出信号的功率放大；在电源模块6中，通过第一开关管N1和第二开关管N2的作用，第二运放OP2的供电电压跟随输出电压的变化而变化，当第二运放OP2的第一电源VCC1端和第二电源+VS端电压之差保持不变，避免第二运放OP2输出信号出现严重失真；在温度补偿模块7中，通过第三晶体管VT3、第四晶体管VT4、第五晶体管VT5和第六晶体管VT6向所述第一晶体管VT1提供一个随第一晶体管VT1开启电压变化的静态偏置电压，保证第一晶体管VT1的静态电流不随温度发生改变。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。