基于JFET的高精度可程控放大电路设计

　　测试结果显示系统能够对最小1mv的输入信号进行预定放大且具有较高的精度;以JFET为核心的压控电阻工作速度快、可靠性好、控制灵敏度高，无机械触点使其噪声较低;系统12位A/D、D/A均集成在单片机内部，缩减了复杂的外围电路，可靠性高;系统还具有输入电阻大、共模抑制比高等特点。因此在数据采集系统、自动增益控制、动态范围扩展、远程仪表测试等微弱信号测量方面使用尤为适宜。

　　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：