引言

在數(shù)字與模擬接口電路中，通常采用放大器和多路開關(guān)來完成信號的放大與通道的選擇，常用芯片有LF147、CA3140等，多通道選擇開關(guān)有AD7501等。目前尚沒有具有多路放大的專用模擬接口芯片。采用傳統(tǒng)的技術(shù)方案用做A／D轉(zhuǎn)換器前端接口電路，需要對放大器電路進(jìn)行增益調(diào)節(jié)，改變增益控制電阻的阻值達(dá)到放大量的變化，當(dāng)遇到具有+／-極性的輸入信號時，處理起來更加繁鎖。另外，在小信號的狀態(tài)下，如采用常用的8位A／D轉(zhuǎn)換器，一個5 V(滿量程)的輸入信號的分辨率為1／256，一個2.5 V輸入信號通過放大至滿量程后，它的分辨率將提高1倍，一個小于1／256信號如直接采用A／D轉(zhuǎn)換器，該信號則已無分辨率可言。這樣必需通過放大器進(jìn)行預(yù)放大。

開發(fā)研制的基于微組裝工藝的集成化高精度多路數(shù)控增益放大器(型號為DG8256)，是用MCM(多芯片組裝)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。在極性處理方面采用絕對值電路使得輸出信號為正值，采用8位A／D轉(zhuǎn)換器時，對小信號均可通過數(shù)字控制的方法進(jìn)行256級增益控制，從而實(shí)現(xiàn)了高精度的連續(xù)放大。低頻高精度A／D轉(zhuǎn)換器的理想前級，放大器具有8個通道的信號輸入。基于MCM技術(shù)的多路數(shù)控增益放大器體積小、重量輕，適用于小型微機(jī)處理系統(tǒng)中模擬接口電路，而且放大器具有良好的溫度特性，適用于軍事、商業(yè)、工業(yè)、民用領(lǐng)域。

1主要技術(shù)參數(shù)

開發(fā)該接口模塊源于某雷達(dá)發(fā)射設(shè)備的控制與保護(hù)電路的研制。電路需要模擬接口電路，與以往的雷達(dá)發(fā)射機(jī)控制與保護(hù)電路不同的是對體積要求更高，要求在很小的體積下完成復(fù)雜的信號采樣與控制。這就啟發(fā)了我們開發(fā)研制該模塊。模塊具備8個通道信號輸入，每個通道的信號具有正負(fù)信號輸入能力，模塊末級輸出為正值輸出，通道選擇采用TTL信號控制，信號具有增益可控的能力，增益控制采用TTL電平控制。模塊的主要技術(shù)參數(shù)如下：

a)供電電源：±12 V；

b)輸入信號幅度：-5 V～+5 V；

c)輸入通道數(shù)：3位數(shù)控(S0～S2)，8通道信號輸入(Vin0～Vin7)；

d)輸出信號幅度：0～+5 V；

e)輸入信號頻率：i≥5 kHz；

f)放大可控增益：-16 dB～+16 dB；

g)放大器線性度：≤2％；

h)增益調(diào)節(jié)：8位數(shù)控(G0～G7)，256級線性；

i)輸入阻抗：≥510 kΩ；

j)輸出電流：≥2 mA；

k)工作溫度：-55℃～+85 ℃；

1)封裝：DIP(雙列直插式封裝)24腳；

m)外型尺寸：長×寬×高為33 mm×21 mm×6.0 mm：

n)鍍金引腳：引腳長5 mm。

2功能特性與電路原理

2.1功能特性

多路數(shù)控增益放大器是對-5 V～+5 V的模擬信號進(jìn)行可控放大，取絕對值輸出的模擬接口模塊。模塊有8個輸入通道，通過數(shù)字量控制，可任選其中一路進(jìn)行輸入。有8位增益控制端子，對輸入的信號按照要求進(jìn)行放大，模塊設(shè)計的絕對值處理電路將輸入信號進(jìn)行絕對值處理，具有絕對值極性判別輸出端子。模塊的主要功能特性如下：

a)輸人多通道選擇功能：8通道選擇輸入，其中一路作為有效輸入信號，采用TTL電平數(shù)控。

b)絕對值輸出功能：對輸入信號，模塊將其轉(zhuǎn)換為絕對值輸出，提供極性TTL電平極性判別輸出(+／-)端子(“1”為正模擬量，“0”為負(fù)模擬量)。

c)線性放大功能：模塊對輸入信號進(jìn)行線性放大，增益范圍為-16 dB～+16 dB。

d)增益數(shù)控功能：增益選擇通過TTL電平數(shù)控選擇，選擇增益步進(jìn)為(32／256±0.125)dB。

e)高輸入阻抗：輸入阻抗≥510 kΩ。

f)大輸出電流：輸出電流≥12 mA。

2.2電路原理

多路數(shù)控增益放大器原理是基于多芯片的電路原理設(shè)計，功能電路分為多路選擇電路、中間級射隨器電路、絕對值電路、增益控制電路、電源電路、末級射隨器電路。其原理框圖如圖1所示。

多路模擬開關(guān)采用CD4051芯片，有8路模擬量輸入信號，芯片供電為+／-5 V電源供電，3路數(shù)字量控制信號進(jìn)行通道選擇，CD4051為高速的模擬多路開關(guān)芯片，可以滿足高速條件下的數(shù)據(jù)切換。在選擇信號入口接有3只5.1 kΩ的下拉電阻。通道選擇真值表如表1所示。

中間級射隨器電路使電路輸出阻抗合理匹配，提高了電路電源輸出的能力，并提高了模塊的抗干擾能力。絕對值電路為有極性的輸入信號時，通過運(yùn)放電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換使其按1：1輸出，但輸出信號均為正值，同時，輸出極性判別信號，當(dāng)輸入信號為負(fù)值時，極性判別信號為“0”，當(dāng)輸入信號為正值時，極性判別信號為“1”。

增益控制采用了一級運(yùn)算放大器加上加權(quán)的反饋放大電阻構(gòu)成，放大系數(shù)由加權(quán)電阻的阻值決定，加權(quán)電阻的阻值大小取決于選通的單個開關(guān)，一個開關(guān)的選擇決定了整個加權(quán)電阻的阻值。電阻采用精密電阻，電阻精度小于0.1％。8個電阻通過開關(guān)形成加權(quán)值，這8個電阻的阻值分別為240Ω、480Ω、960Ω、1.92 kΩ、3.84 kΩ、7.68 kΩ、15.36 kΩ、30.72 kΩ，最大加權(quán)值為60.2kΩ，開關(guān)的關(guān)斷內(nèi)阻加權(quán)值為186kΩ，實(shí)際加權(quán)電阻(定義標(biāo)識符為R2)的值為45.5 kΩ，運(yùn)算放大器部分采用負(fù)反饋，輸入端電阻(定義標(biāo)識符為R1)的值為9.56 kΩ，可得最大放大倍數(shù)近似為：

電源電路采用MC7906和MC7806兩只穩(wěn)壓管，分別形成+6 V和-6 V的電源，供內(nèi)部開關(guān)和運(yùn)算放大器使用。末級射隨器電路可提高信號輸出能力，也能更好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，同時提高模塊的抗干擾能力。

2.3輸人、輸出接口

模塊采用DIP 24腳金屬外殼封裝型式，其引腳分布如圖2所示。

a)模擬量輸入接口：Vin0～Vin7為8路模擬量輸入。

b)選擇控制接口：S0～S2為選擇控制接口輸入，其電氣接口特性為TTL電平。

c)增益控制接口：G0～G7為8路增益控制接口輸入，其電氣接口特性為TTL電平；其結(jié)構(gòu)布置圖見圖2。

d)電源接口：VDD為+12 V電源輸入，VSS為-12 V電源輸入，GND為供電電源與輸出信號接口信號地。

e)輸出接口：Vout為模擬量輸出接口，其輸出范圍為0～+5 V；+／-為極性指示輸出接口，高電平(即“1”)表征輸入信號為正模擬量，低電平(即“0”)表征輸入信號為負(fù)模擬量。

3結(jié)構(gòu)與工藝

放大器采用小型金屬殼體封裝，結(jié)構(gòu)小。放大器的結(jié)構(gòu)外形如圖3所示，具體尺寸如表2所示。

放大器采用先進(jìn)的MCM技術(shù)，即將多個IC芯片與多個高精度電阻組裝在LTCC(低溫共燒陶瓷)多層互聯(lián)基板上，然后封裝在同一金屬外殼中。所以放大器是多層布線基板技術(shù)、多層布線互聯(lián)技術(shù)、表面安裝技術(shù)、微型元器件及裸芯片貼裝技術(shù)的綜合。

LTCC的生瓷帶下料可用熱刀或激光，下料后的生瓷帶必須盡快使用；生瓷帶打孔主要有鉆孔、沖孔和激光打孔等3種方法，通孑L直徑應(yīng)小于1.0 mm而大于0.5 mm，并且通孔距基板邊緣的距離應(yīng)大于0.635 mm。通孔填充是制造LTCC基板的關(guān)鍵工藝之一，其質(zhì)量的好壞直接決定了LTCC基板的性能，而且燒結(jié)后通孔部分下陷，會影響后道工序中外貼元器件的組裝及組件封裝，所以一定要保證通孔填充飽滿。印刷完后，應(yīng)用顯微鏡檢查通孔質(zhì)量，對沒有填充好的通孔進(jìn)行修補(bǔ)。生胚片之間的精確對位對于保證LTCC多層基板的電氣性能是非常重要的，包括印刷時絲網(wǎng)與生瓷帶之間的對位和疊層時生瓷帶同生瓷帶間的對位。影響對位精度的主要因素有打孔精度誤差、照相制版精度誤差、印刷機(jī)手動調(diào)節(jié)對位視覺誤差，其中最關(guān)鍵的是印刷定位精度。目前布線密度達(dá)到線寬0.20 mm、線間距0.20 mm、孔徑φ0.30 mm、孔中心距0.60 mm，共8層導(dǎo)體。芯片采用環(huán)氧膠粘接的方法固定在LTCC多層基板上，鍵合方式主要采用熱壓焊工藝。

4性能測試

4.1電特性

多路數(shù)控增益放大器的電特性如表3所示。

4.2測試框圖

多路數(shù)控增益放大器測試框圖如圖4所示。放大器由外部電源供電，供電電源參照電特性提供±12 V／50 mA的供電，由信號發(fā)生器提供放大器的輸入信號電壓以及測試所需要的輸入波形。輸出信號由示波器進(jìn)行波形測試，通過萬用表測試輸出電壓值，選通開關(guān)和增益控制開關(guān)進(jìn)行通道選擇與增益控制。

4.3測試結(jié)果

按照圖4連接好多路數(shù)控增益放大器。信號發(fā)生器輸入波形為正弦波時，圖5(a)測出了輸出端的信號波形，該波形為頻率加位的半正弦波；圖5(b)測出了極性判別輸出端的信號波形，該波形為矩形波。

采用萬用表測試輸出端電壓，在不同輸入電壓下得出一系列輸出值，根據(jù)輸入、輸出測量值，得出了輸出在不同輸入電壓下的增益控制關(guān)系，見圖6～圖9。

為了節(jié)省篇幅，僅給出±0.5 V和±5 V輸入電壓下的測試數(shù)據(jù)加以說明。由圖6、圖7可以看出：輸出電壓與控制位是線性的；放大器具有良好的絕對值特性；可控最大放大倍數(shù)約為16 dB(0xFF時)。由圖8、圖9可以看出：輸出電壓最大值控制在5 V以內(nèi)；放大器具有良好的絕對值特性；輸出電壓最小縮小系數(shù)為小于-16 dB(0X00時)。

5放大器應(yīng)用

5.1控制與保護(hù)系統(tǒng)硬件配置中的應(yīng)用

該模塊在小型控制設(shè)備中可以發(fā)揮極重要作用，本文以某機(jī)載雷達(dá)發(fā)射機(jī)控制與保護(hù)系統(tǒng)為例介紹該模塊的應(yīng)用。雷達(dá)發(fā)射機(jī)的控制與保護(hù)需要對多項模擬參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如發(fā)射機(jī)行波管陰極高壓、收集極電壓、陽極電壓、管體電流等參數(shù)。在CPU中進(jìn)行處理后，判斷發(fā)射機(jī)工作是否正常。圖10給出發(fā)射機(jī)的控制保護(hù)原理圖。

在該電路中，系統(tǒng)除了多路數(shù)控增益放大器外，還配置了CPLD(可編程邏輯控制器)、AD7820、通信接口以及復(fù)位電路。MD87C51是該電路控制CPU，通過放大器采集來的數(shù)據(jù)由CPU加以處理判斷，CPU通過CPLD控制放大器通道選擇與增益。

5.2控制與保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計中的應(yīng)用

放大器應(yīng)用于控制與保護(hù)系統(tǒng)中的軟件設(shè)計的關(guān)鍵是設(shè)計好放大器的通道選擇與增益控制。在下面的軟件程序中，僅列舉了與放大器相關(guān)的部分，在主程序中僅調(diào)用了AD取樣子程序。程序分為多個子程序進(jìn)行設(shè)計，本文中列舉了與多路數(shù)控增益放大相關(guān)的AD采樣子程序。

6結(jié)束語

該模塊已在多部雷達(dá)發(fā)射機(jī)上使用，性能良好。模塊已經(jīng)過高低溫貯存、高低溫工作、振動和沖擊等環(huán)境試驗(yàn)的考驗(yàn)，并已通過DPA(破壞性物理分析)檢測。多路數(shù)控增益放大器模塊可應(yīng)用于軍用和民用模擬、數(shù)字接口電路，其特點(diǎn)是體積小、可靠性高、多路實(shí)時在線選擇、通道增益實(shí)時在線數(shù)字控制，尤其適用于航空設(shè)備控制領(lǐng)域，該模塊在機(jī)載電子裝備中具有廣泛的應(yīng)用前景。