寬帶放大器設計報告

PAGEPAGE2寬帶放大摘要：本系統(tǒng)以TI公司的高精度、快速度、寬帶運算放大器OPA820ID、可編程器件VCA822及超低功耗MSP430F169單片機為核心實現(xiàn)了20Hz~10MHz交流小信號的寬帶放大及輸出電壓峰峰值和有效值的測量與顯示。設計采用自制的直流穩(wěn)壓電源為系統(tǒng)供電；OPA820ID構成系統(tǒng)的前級放大電路；可編程器件VCA822構成中間級程控放大電路；TPS3091D構成系統(tǒng)的末級功率放大電路，其中末級功率放大電路的供電電源有系統(tǒng)電源經(jīng)TPS61087DRC升壓得到；末級輸出經(jīng)峰值檢波并通過單片機微小系統(tǒng)及液晶顯示模組SPLC501關鍵詞：OPA820IDVCA822THS3091D單片機寬帶放大一、系統(tǒng)方案1、方案論證與比較分析題目各項要求，放大器的增益設定和功率放大是本題的重點，方案論證主要圍繞中間級主放大電路，末級功率放大、檢波電路及直流穩(wěn)壓電源這幾個模塊展開。1.1、主放大模塊方案一：采用集成寬帶運放，如OPA820ID，完全能夠滿足題目基本要求的設計，但其增益受限，對整體方案設計不利；OPA657雖然增益可達40dB，但其增益不可調(diào)節(jié)。方案二：由單片機和可編程增益放大器VCA822構成壓控放大器，單片機通過控制D/A輸出直流電壓來控制VCA822的內(nèi)部電阻衰減網(wǎng)絡，實現(xiàn)增益調(diào)節(jié)。其外圍元件少，電路簡單，由于VCA822帶寬最大能達到100MHz，增益范圍有40dB，完全滿足題目發(fā)揮部分要求，且可程控，增加靈活性，所以本部分采用該方案，放棄方案一。1.2、功率放大模塊方案一：單片THS3091D構成功率放大。方案二：兩片THS3091D進行功率合成。由于題目要求，50Ω負載上，放大器最大不失真輸出電壓峰峰值≥10V，而THS3091D在+15V單電源供電條件下的最大輸出電流為200mA，若采用方案一，則輸出電流較低，因此我們采用兩片THS3091D構成功率合成，提高輸出電流。1.2、直流穩(wěn)壓電源模塊方案一：前級和主放大電路采用5V單電源供電。方案二：前級和主放大電路采用±5V雙電源供電。OPA820ID、VCA822若采用單電源供電，低頻效應不能保證，工作點難以確定，我們采用±5V雙電源供電。1.3、檢波電路模塊方案一：采用集成真有效值變換芯片，直接輸出被測信號的真有效值,例如AD637，但由于一般的有效值檢波的芯片難以達到10MHz的寬帶，無法滿足設計要求。方案二：考慮到本題要求測量的是標準正弦波，可采用峰值檢波電路，檢出峰值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由單片機轉(zhuǎn)換為有效值。電路簡單可靠，精度較高，速度較快，故采用此方案。2、系統(tǒng)總體方案框圖基于以上分析系統(tǒng)方框圖如下圖1所示圖1系統(tǒng)方案框圖二、理論分析與計算2.1、帶寬增益積帶寬增益積(GBP)可用來簡單衡量放大器的性能，表示增益和帶寬的乘積。按照放大器的定義，這個乘積是一定的。題目中要求放大器最大電壓增益≥40dB，即Gain≥100V/V。放大器的通頻帶0～10MHz，所以本放大器的帶寬增益積GBP為：GBP=1000*10M=10G（1）單個放大器是很難達到10G的GBP，所以我們考慮多級放大器級聯(lián)。經(jīng)過查閱手冊，G=5時，OPA820的GBP≥300M，級聯(lián)上后級的VCA822和THS3091，足以滿足設計要求2.2、電壓控制增益的原理VCA822的基本增益為：（2）其中，VG是差分輸入電壓，單位是V，Rf、Rg分別為反饋電阻和增益電阻，為常數(shù)，Gain是VCA822的基本增益,用放大倍數(shù)表示。從此式可以看出，放大倍數(shù)和電壓之間是線性的關系。由此可以得出，只要單片機進行簡單的線性計算就可以控制增益，增益步進可以很準確地實現(xiàn)。但若要用dB來表示增益的話，則需將放大倍數(shù)經(jīng)過復雜的對數(shù)運算轉(zhuǎn)化為dB后再去控制VCA822的增益，這樣在計算過程中就引入了較大的運算誤差，我們不采用此方式。三、電路設計1、前級放大電路OPA820ID作為第一級放大電路，為減小前級輸入噪聲的影響，前級應當做到最大增益，但考慮到高頻對寬帶增益的限制，在此我們設計增益G=1+Rf/Rg=5。電路如圖2所示。圖2前級放大電路2、程控放大電路單片機經(jīng)D/A給出0V～2V的電壓經(jīng)OP07處理后，可控制VCA822的放大倍數(shù)，作為該系統(tǒng)的核心放大模塊，我們選擇Rf/Rg=50，實現(xiàn)0dB~40dB的增益控制。電路如圖3。圖3程控放大電路圖3、功率放大電路兩片THS3091D構成功率合成，為避免放大倍數(shù)太大而自激，引入干擾。末級放大電路增益應盡可能小，又VCA822的最大輸出為8Vpp，小于10Vpp，所以在此我們選擇增益G=1+Rf/Rg=2.電路如圖4所示。圖4功率放大電路圖4、檢波電路峰值檢波電路有二極管、三極管和電壓跟隨器組成，三極管基極由單片機控制，產(chǎn)生1Oμs的高電平使電容放電，以減少前一頻率測量對后一頻率測量的影響，提高幅值測量精度。電路如圖5所示。圖5檢波電路圖5、DC-DC直流穩(wěn)壓電源5V直流穩(wěn)壓電源經(jīng)5V直流穩(wěn)壓電源經(jīng)TPS61087DRC升壓到+15V為末級放大電路供電，電路如下圖6所示。5V直流穩(wěn)壓電源經(jīng)WRB0505CKS-1W將電壓轉(zhuǎn)換為±5V為程控放大電路供電，電路如右圖7所示。圖7±5v穩(wěn)壓電源圖圖6+15v穩(wěn)壓電源圖四、程序設計系統(tǒng)軟件模塊系統(tǒng)軟件模塊包括AD采樣、DA轉(zhuǎn)換、鍵盤控制與LCD顯示。MSP430f169的AD采樣用來測量輸出電壓幅度；DA轉(zhuǎn)換出模擬信號來控制VCA822的放大倍數(shù)；鍵盤可控制系統(tǒng)流程、輸入數(shù)據(jù)及一些智能化操作；LCD用來顯示系統(tǒng)流程、系統(tǒng)輸出電壓峰峰值和有效值。整體軟件系統(tǒng)流程如右圖所示五、系統(tǒng)測試及分析1、測試儀器多功能數(shù)字萬用表FLUKE17B；數(shù)字示波器RIGOLDS5102M；功率函數(shù)發(fā)生器SG1645。2、放大器電壓增益測試測試方案：設置輸入信號頻率為500kHz,輸入信號以信號峰峰值為單位。輸出信號以示波器的輸出電壓峰峰值為標準，計算出交流增益，增益預置以倍數(shù)表示，括號中換算為dB，主要測試數(shù)據(jù)如表1所示。預設增益1050100400600800900100020dB34dB40dB52dB55.6dB58.1dB59.1dB60dB輸入電壓20mv40mv20mv25mv30mv40mv40mv40mv實測電壓202mv2v2.047.6v5.65.1v5.14.9實際增益19.2dB34dB41.2dB49.7dB45.4dB42.1dB42.1dB41.8dB有測試結(jié)果可得，最大增益為42.1dB。3、放大器帶寬及帶內(nèi)波動測試測試方案：設置放大器的帶寬為10MHz，輸入信號電壓為20mVpp，增益設置為60dB，對這個預置帶寬進行頻率掃描，測得輸出信號幅度，記錄-3dB衰減對應的頻率點，計算0--10MHz的增益起伏。測試結(jié)果：對帶寬為10MHz的放大器，實測-3dB截止頻率為(20MHz)，對于0--10MHz帶寬，增益起伏≦1dB。4、最大不失真輸出電壓峰峰值測試測試方案：輸入信號頻率設置為100kHz，10MHz，輸入信號電壓峰峰值為20mV，用示波器觀察輸出信號不失真的條件下，記錄最大輸出電壓峰峰值。100K:7.6v(vpp);10M:5.6(vpp)測試結(jié)果：100kHz的頻點上，最大輸出電壓正弦波峰峰值為9.6V，波形均無明顯失真。10MHz的頻點上，最大輸出電壓正弦波峰峰值為7.6V，波形均無明顯失真。5、輸出端噪聲測試測試方案：輸入接地，設置增益G=60dB，用示波器探測輸出端噪聲電壓，測得峰峰值為200mv6、測量相對誤差計算總結(jié)：測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)基本上達到了題目設計的要求，實現(xiàn)了部分指標。但是由于時間緊迫，知識不足，一些指標未能完成。在實測過程中，前級與中間級放大倍數(shù)均作了修改，末級放大中沒能做到預期的放大兩倍的效果，只做到了跟隨的作用。尤其THS3091D的單電源供電過程中偏置與靜態(tài)工作點難以控制。發(fā)揮部分基本達到指標，但效果