基于ad603的时变增益放大器的实现

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1、基于AD603的时变增益放大器的实现作者：吴建斌、田茂　　单位：华中师范大学信息技术系、武汉大学电信学院　　转载：电子测量技术　　发布时间：2008-11-18引言       探地雷达（GPR，GroundPenetratingRadar）以其无损探测特性在很多领域得到了广泛的应用，其探测原理是：利用天线向地下发射高频宽带电磁波，然后接收来自地下介质界面的反射回波，通过对回波信号的处理和分析，推断地下介质的结构。而冲击型探地雷达以其结构简单，携带的回波信息丰富等特点受到了广泛的重视。以下所涉及的探地雷达均指冲击型探地雷达。 

2、      由于传播路径上的急剧损耗，使得天线接收到的回波信号动态范围极大，一般可达150dB[1-3]。雷达接收系统中A/D转换器的动态范围一般只能达到80~90dB，难以满足雷达系统的要求。同时，由于深层目标回波幅度小，如不对其处理将严重影响探地雷达的探测深度和分辨率。为提高雷达的探测深度和分辨率，同时提高接收系统的动态范围，文章采用AD603实现了一时变增益放大器，并将其置于A/D转换器之前，以提供较大的动态范围，补偿A/D转换器的动态范围的不足，达到与回波信号动态范围相匹配的目的。实验结果表明，由于时变增益放大器的使用

3、，使进入到A/D转换器的回波信号变得相对平稳，在提高图像显示效果的同时又保证了较高的信噪比。1、时变增益放大器的设计      所谓时变增益放大器简而言之就是放大器的增益是时间的函数。由于在探地雷达系统中，时间实际对应着目标离天线的距离，从这个角度讲，在雷达系统中，它可以称为距离增益放大器。其作用机理就是对近距离目标的散射回波采用衰减或较低增益放大，而对远距离目标的散射回波采用较高增益放大，使进入到数据采集电路的回波信号变得相对平稳。最终浅层目标回波的强信号被衰减或抑制，避免了放大器发生饱和过载或者放大器输出超出A/D转换器的

4、输入范围；深层目标回波的弱信号得到有效放大，以保证目标信号的获取和辨别。      设计时变增益放大器的方案有很多种，鉴于探地雷达系统的要求，本文采用美国AnalogDevices公司生产的新型压控放大器AD603来实现时变增益放大器，AD603具有低噪声、宽频带、增益和增益范围可调整、增益值（dB）随外部控制电压线性变化、带宽不随增益变化等优点[4]，完全能够满足雷达系统的要求。其原理图如下图所示：       从原理图可以看出AD603的内部结构分成3个功能区：增益控制区；无源输入衰减区；固定增益运放区。增益控制区的控制电

5、压控制衰减器的连续衰减，就像使图中固定增益运放同相端的箭头在0dB到-42.14dB之间滑动一样。AD603的增益范围、频带宽度由VOUT与FDBK的连接方式确定。当VOUT与FDBK短接，增益范围为-10dB～30dB，频带宽度为90MHz；当输出端VOUT与反馈端FDBK间接2.15k电阻，反馈端FDBK通过5.6pF接地时，增益范围为0dB～40dB，频带宽度为30MHz；当VOUT与FDBK开路，反馈端FDBK通过18pF接地时，增益范围为10dB～50dB，频带宽度为9MHz。一旦增益范围确定以后，整个放大器的频带宽

6、度也就确定下来，并且在增益变化范围内，带宽不随增益的变化而变化。这是因为增益的调整是通过固定增益运放前的R-2R梯形电阻衰减网络实现的，而不是改变运放的反馈电阻，所以整个放大器的带宽不受增益调整的影响。       由于探地雷达回波信号的动态范围极大，为了对深层的微弱回波信号提供较大的增益，便于后续的数据采集与处理。具体实现时采用了两级AD603级联的方式实现可变增益放大，并且前后两级的增益范围均设置为0～40dB。这样，两级放大电路总共能提供0～80dB的可变增益范围，可以满足探地雷达扩展动态范围的需求。同时，为了尽可能提高

7、两级放大电路的信噪比，降低前一级放大器产生的噪声被后一级放大器放大的可能性，两级放大器采用了顺序控制连接方式，电路原理如图2所示。      为尽可能减少两级放大器级联以后的频带损失，改善放大器的低频响应特性，从而避免了探地雷达回波信号中的低频分量的损失，设计时选用了直接耦合方式。由于单级放大器的增益变化范围设置为0～40dB时，其带宽为30MHz。两级放大器级联以后，总的放大器3dB带宽会减小，此时的带宽约为21MHz，但提高了动态范围。　　对于天线中心频率为100MHz的探地雷达，其回波信号的最高频率分量约为150MHz[

8、1-2]。假设发射脉冲重复频率为300kHz，采样时间间隔为0.1ns，可以得到等效采样变换后的回波信号最高频率分量为：       可以看出，采样变换后的信号最高频率分量远小于放大器的带宽，可以保证信号被放大以后没有频率失真。       经过实测发现，等效采样变换后的回波