寬帶直流放大器.doc

寬帶直流放大器摘要：本設(shè)計(jì)采用采用TI公司芯片設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)寬帶直流放大器，要求電壓增益60dB。分為四級(jí)放大：前級(jí)放大，程控/手動(dòng)增益放大，增益放大和功率放大。利用AGC原理，使用VCA810壓控增益放大元件與單片機(jī)MSP430程序控制配合實(shí)現(xiàn)電壓增益AV可預(yù)置并顯示，預(yù)置范圍為060dB，步距為5dB（也可以連續(xù)調(diào)節(jié)）；再經(jīng)過分頻電路實(shí)現(xiàn)放大器的帶寬可預(yù)置并顯示。經(jīng)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)完成了全部基礎(chǔ)功能及部分?jǐn)U展功能。關(guān)鍵詞：寬帶放大，壓控增益放大，單片機(jī)/手動(dòng)控制一、 方案論證圖1-1 總體設(shè)計(jì)框圖1、 總體設(shè)計(jì)方框圖由于該設(shè)計(jì)屬于高頻信號(hào)的傳輸與處理，全程采用同軸電纜與BNC插頭。2、 前級(jí)增益放大直接選用高增益帶寬積的放大器OPA642對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行2倍的放大。3、 可控增益放大方案一：通過手動(dòng)調(diào)節(jié)放大器反饋電阻阻值改變放大倍數(shù)，但增益放大范圍較大且調(diào)整不夠精確，不能布距調(diào)整，局限性很大但電路簡(jiǎn)單。方案二：可選用AD603壓控增益放大器，但AD603增益與帶寬關(guān)系不確定，增益范圍太小且輸出需要調(diào)整直流分量。方案三：選用VCA810高速壓控增益放大器，具有25M的帶寬及-40dB到+40dB的高增益范圍，故采用方案三。4、 帶寬預(yù)置濾波電路采用巴特沃斯濾波電路及單片機(jī)程序選擇控制實(shí)現(xiàn)，用繼電器切換手動(dòng)與程控。5、 增益及功率放大電路用高壓低失真電流反饋運(yùn)算放大器THS309接并聯(lián)輸出級(jí)BUF643利用負(fù)反饋減小失調(diào)電壓和失真。二、 參數(shù)分析及計(jì)算1、 帶寬增益積分析與計(jì)算1) 前級(jí)放大電路采用OPA642帶寬增益積為200MHz，根據(jù)公式，本設(shè)計(jì)的前級(jí)放大電路的增益放大兩倍。2) 功率放大電路采用器件的基本特性，其增益，則增益帶寬積約為450MHz，設(shè)計(jì)電壓增益為十倍。2、 通頻帶內(nèi)增益起伏及線性相位采用巴特沃斯濾波電路，通頻帶通頻帶增益起伏可以達(dá)到非常平緩。前置放大器的通頻帶增益由器件本身的優(yōu)異特性決定，外部無需調(diào)整。功率放大器內(nèi)部有調(diào)節(jié)頻率響應(yīng)的微調(diào)電容，由于本課題頻率上限不是太高，一般也無需調(diào)整，相位隨頻率的變化呈線性化。3、 抑制直流零點(diǎn)漂移與放大器穩(wěn)定性放大電路中為了抑制直流零點(diǎn)漂移，采用同相反相交替的方式輸入；為了提高運(yùn)算精度，在電路中加了負(fù)反饋回路，而且負(fù)反饋越深，閉環(huán)特性越好。但是在級(jí)聯(lián)運(yùn)放放大電路中，當(dāng)工作頻率較高時(shí)，它所產(chǎn)生的附加相移可能會(huì)使負(fù)反饋回路的開環(huán)增益下降到1以前達(dá)到180，使原來處于負(fù)反饋回路的放大器轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢煽氐恼答仩顟B(tài)，產(chǎn)生自激振蕩，破壞放大器的正常工作。為了使放大器不自激，即放大器穩(wěn)定的條件是：當(dāng)時(shí)或時(shí)本設(shè)計(jì)的前置放大電路采取單級(jí)運(yùn)放負(fù)反饋，保證了放大器在反饋條件下穩(wěn)定運(yùn)行。末級(jí)功率放大器運(yùn)用相位補(bǔ)償技術(shù)，在放大電路適當(dāng)位置接入0.5P的補(bǔ)償電容，調(diào)整末級(jí)主放大器的開環(huán)特性。三、 測(cè)試方案及步驟1、 前級(jí)放大電路圖3-2 壓控增益放大電路采用一片OPA642對(duì)輸入高頻小信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的正相放大，原理圖如圖3-1所示。圖3-1 前級(jí)放大電路2、 壓控增益放大電路采用單片機(jī)給VCA810的控制端-2到0V的電壓信號(hào)對(duì)放大器增益進(jìn)行調(diào)整，VCA810在寬頻帶工作模式下可以調(diào)整-40dB-40dB的增益范圍，而且控制電壓值與放大倍數(shù)（dB）成正比，測(cè)試時(shí)先使用可變電位器對(duì)控制電壓進(jìn)行調(diào)整觀察放大增益，再用調(diào)制好的單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行供電，原理圖如圖3-2所示。3、 濾波電路采用兩片OPA680對(duì)放大后信號(hào)進(jìn)行5M/10M帶寬預(yù)置，由于帶寬預(yù)置屬于外接部分，所以沒有放大倍數(shù)采用跟隨電路，且因使用的是巴特沃斯濾波電路，滿足課題要求在3dB通頻帶增益起伏1dB原理圖如圖3-3所示。圖3-3 濾波電路4、 功率放大電路一片THS3091在高電壓下進(jìn)行放大，用三片BUF643進(jìn)行跟隨電流放大，從而實(shí)現(xiàn)功率放大，原理圖如圖3-4所示。圖3-4 功率放大電路5、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用MSP430F5438a單片機(jī)設(shè)計(jì)軟件流程圖如圖3-5所示。圖3-5 軟件流程圖圖3-5-2鍵盤中斷流程圖顯示默認(rèn)初始增益和工作狀態(tài)并初始化初始化屏幕增益控制增益選擇按鍵按下是否圖3-5-1主程序流程圖判斷鍵碼工作狀態(tài)選擇顯示增益和帶寬鍵盤中斷中斷返回開始按鍵功能四、 測(cè)試結(jié)果記錄1、 輸入與輸出阻抗測(cè)試輸入阻抗為50W；斷開標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻，調(diào)整放大器的輸出為20Vpp，然后接上標(biāo)準(zhǔn)50負(fù)載電阻，在全頻段內(nèi)輸出電壓為10Vpp，誤差小于1%，可換算出輸出阻抗為（500.5）W。2、 帶寬測(cè)試給濾波電路輸入Vpp=2V的高頻信號(hào)，從1M開始向上增加頻率，測(cè)試輸出的濾波后信號(hào)并記錄其通帶頻率特性：表4-1 5MHz通頻帶特性頻率（Hz）1M2M3M4M5M6M7M輸出電壓（Vpp）2.08V2.10V2.08V1.96V1.76V1.50V1.22V頻率（Hz）8M9M10M11M12M13M14M輸出電壓（Vpp）960mV760mV600mV480mV416mV352mV280mV表4-1 10MHz通頻帶特性頻率（Hz）6M7M8M9M10M11M12M輸出電壓（Vpp）2.16V2.12V2.06V1.80V1.58V1.36V1.18V頻率（Hz）13M14M15M16M17M18M19M輸出電壓（Vpp）980mV820mV700mV620mV500mV440mV360mV圖4-1 10M/5M通頻波形3、 各級(jí)輸出增益測(cè)試輸入阻抗為50W；斷開標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻，調(diào)整放大器的輸出為20Vpp，然后接上標(biāo)準(zhǔn)50負(fù)載電阻，在全頻段內(nèi)輸出電壓為10Vpp，誤差小于1%，可換算出輸出阻抗為（500.5）W。五、 測(cè)試結(jié)果分析由于高頻信號(hào)受感染能力較強(qiáng)，所以對(duì)整體的電路布局要求較高，且對(duì)各種信號(hào)發(fā)生源要進(jìn)行一定程度上的隔離與降溫，因此VCA810的調(diào)壓電路會(huì)發(fā)生自激現(xiàn)象，在隊(duì)干擾進(jìn)行了一定隔離處理后，且干擾較小的情況下有了好轉(zhuǎn)。六、 設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)最大電壓增益AV60dB，輸入電壓有效值Vi10 mV；在AV60dB時(shí)，輸出端噪聲電壓的峰峰值VONPP0.3V；3dB通頻帶010MHz；在09MHz通頻帶內(nèi)增益起伏1dB；最大輸出電壓正弦波有效值Vo9V，輸出信號(hào)波形無明顯失真；在AV60dB時(shí)，輸入電壓有效值在10mV30mV范圍內(nèi)變化，輸出有效值=10V穩(wěn)定不變；電壓增益AV可預(yù)置并顯示，預(yù)置范圍為060dB，步距為5dB（也可以連續(xù)調(diào)節(jié)）；放大器的帶寬可預(yù)置并顯示（至少5MHz、 10MHz 兩點(diǎn)）；降低放大器的制作成本，提高電源效率。七、 元器件清單1、 基本儀器清單20MHz普通示波器；60MHz雙蹤數(shù)字示波器；普通函數(shù)信號(hào)發(fā)生器；毫伏表；位數(shù)字萬用表；單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)。2、 主要元器件清單MSP430f5438a單片機(jī)最小系統(tǒng)；OPA642寬帶低失真低增益運(yùn)算放大器；VCA810高增益調(diào)整范圍寬帶電壓控制放大器；OPA680寬帶電