宽带放大器设计报告

全国大学生电子设计竞赛TI杯模拟电子系统专题邀请赛设计报告参赛题目宽带放大器参赛单位南京邮电大学电子科学与工程学院宽带放大器摘要本系统采用高速运算放大器OPA820和低失真电流反馈运算放大器THS3091构成两级放大电路，实现了电压增益43DB，带宽20M，带内波动小，输出噪声低的宽带放大器。该放大器外部采用5V单电源供电，内部通过DCDC变换器TPS61087作为电源模块。经测试在50的阻性负载上放大器最大不失真输出电压峰峰值高达17V。关键词宽带放大器，OPA820，THS3091，TPS61087一系统方案论证11整体方案论证经过仔细地分析和论证我们认为此次宽带放大器可分为电源模块，增益放大模块，功率放大模块，峰值检测模块和显示模块等五个部分。可以分为以下两种方案来实现题目要求方案一放大器采用三级级联放大的形式第一级放大5倍，第二级放大10倍，最后一级放大2倍。放大器采用单电源供电。虽然功放一级放大倍数较小可以有效地避免自激，且单电源供电制作简单，但是会带来以下负面影响1放大器的输出噪声大2放大器的整体稳定性下降3零点漂移大4成本增大。方案二放大器采用两级级联放大的形式前级放大10倍，后级放大10倍。放大器采用双电源供电。放大器的成本，输出噪声和直流偏置较低。因此我们选取方案二。12系统具体方案系统总体框图如下电压放大MSP430F149微控制器12864液晶显示电源模块AD采样峰值检测模块功率放大信号输出信号输入图1系统总体框图具体的系统方案如下采用规定的高速运算放大器OPA820作为第一级放大电路进行11倍的放大，采用规定的电流反馈性运放THS3091作为末级放大电路进行11倍的放大，并作为功率放大器驱动50阻性负载，在输出负载上，放大器最大不失真输出电压峰峰值10V。通过两级放大达到放大器电压增益40DB。输出的信号通过峰值检测模块，通过AD采集输入MSP430单片机，在液晶屏上显示出放大器的输入电压的峰峰值和有效值。由于题目要求外部采用5V单电源供电，我们选用TPS61087电源芯片提供10V电压，选用MC34063电源芯片提供10V电压来为THS3091供电。选用MAX764电源芯片提供5V电压，和输入的5V电压来为OPA820供电。为了尽可能降低放大器的输出噪声，我们采取了相应的抗干扰处理不同级电路之间采用同轴电缆连接，退耦电容尽量接近芯片电源引脚，采用热转印法手工制PCB工艺，尽量减少分布参数的影响。二理论分析与计算21开关电源输出电流根据题目要求，输出50阻性负载上，放大器最大不失真输出电压峰峰值10V。估算TPS61087DCDC转换器的效率MAX10/2I5UMAR90，根据公式占空比D509171INVS。算得输出电流为7431268INLVFSMUMAXIN02896LIOUTMA。所以TPS61087足够为末级放大电路供电，完全可以达到题目的供电要求。22前级放大电路放大倍数根据系统设计要求，第一级OPA820的放大倍数为11倍。根据1VGFROPA820数据手册中最优电阻值选择要求反馈电阻值应当在2001K，反馈电阻和反相端输入电阻并联阻值应当小于200。因此我们选择反馈电阻为510，反相端输入电阻为51。GR23后级放大电路放大倍数和输出电流根据系统设计要求，第二级THS3091的放大倍数为11倍。跟据数据1VGFRA手册THS3091放大10倍时反馈电阻的推荐值为953，反相端输入电阻为866。我们选取反馈电阻为1K，反相端输入电阻为100。为了防止电流反馈运算FGR放大器THS3091的自激，我们在THS3091的输入端加上20的限流电阻。THS3091的最大输出电流为250MA，因此单片THS3091即可达到驱动50负载的题目要求。24带宽增益积按照题目发挥部分的要求，信号通频带为20HZ10MHZ，最大电压增益AV40DB，则增益带宽积为10M1040/201GHZ，我们采用分级放大的方式，使放大器整体增益超过40DB。三电路与程序设计31电源模块设计由于题目要求利用5V单电源供电，我们选用TPS61087电源芯片提供10V电压，选用MC34063电源芯片提供10V电压来为THS3091供电。选用MAX764电源芯片提供5V电压，和输入的5V电压来为前级电压放大模块OPA820供电。TPS61087是一款TI公司的DCDC变换器。可以将256V的输入电压变换为05185V的电压输出，可以工作在650和12两个频段上。输出电流可高KHZMZ达900MA。MC34063是一单片双极型线性集成电路，专用于DCDC变换器控制部分，能在3040V的输入电压下工作，输出开关电流可达15A，也可构成反向电源变换器。MAX764是一款DCDC变换器。可以将315V的输入电压变换为5V的电压输出。输出电流为250MA。电源模块示意图如下5V输入TPS61087MC34063MAX76410V输出10V输出5V输出5V输出图2电源模块示意图电源模块原理图见附图132前级放大电路设计OPA820是一款低噪声电压反馈高速放大器。增益带宽积为480，低输入电压MHZ噪声26NV/，高直流精度25C最多输入失调电压为700NV，25C最多输HZ入失调电压为400NA采用高速运算放大器OPA820作为第一级放大电路进行11倍的同相放大，我们选取反馈电阻为510，反相端输入电阻为51，为了抑制噪声，防止电源串入FRGR噪声信号，我们在电源线的进线处加01UP和22UP的旁路电容进行滤波。输出信号进入后级放大电路进行放大。U1OPA820V15V25VF1VF2R1510VF2C1100NC222UVF1C3100NC422UR251R31KVG1VM1图3第一级放大电路33后级放大电路设计THS3091是一款高电压，低失真，电流反馈放大器。转换速率为7300V/S，增益带宽积为420，输出电流高达250MA。低噪声正向电流噪声为14PA/MHZ，反向电流噪声为17PA/，电压噪声为2NV/。HZZHZ后级放大电路包含固定增益放大和功率放大模块。我们用单片THS3091搭建同相增益放大和功率放大模块。设置增益为11倍，我们选取反馈电阻为1K，反相端FR输入电阻为100。为了防止电流反馈运算放大器THS3091的自激，我们在GRTHS3091的输入端加上20的限流电阻。该模块可同时对信号幅度和功率进行放大。驱动后级的50负载，同时输出信号传入峰值检测模块中。U1THS3091V110V210VF1VF2VF2VF1R21KR1100R720R351VM1VG1图4第二级放大电路34峰值检测电路设计峰值检测电路由两级电路组成。第一级是整流电路，第二级是增益调节电路和积分电路。峰值检测电路原理图和峰值检测结果见附二35控制器选择选用TI超低功耗的MSP430单片机对系统进行控制。单片机主要完成对AD从峰值检测电路采集的信号进行处理，将输出电压的峰峰值和有效值显示在12864液晶屏上。36抑制噪声设计一布线合理。放大器输入回路的导线和输出回路、交流电源的导线彼此要分开，不要平行辅设或捆扎在一起，以免相互感应。二滤波。为防止电源串入噪声信号，电源线的进线处加滤波电路。三选择合理的接地点。在多级放大器电路中，如果接地处安排不当，也会造成严重的噪声。我们采取PCB制板，将合理的接地点进行覆铜共地处理。四不同级电路之间采用同轴电缆连接37消除自激振荡设计一采取PCB制版，元器件布置紧凑、缩短连线的长度。二合理布线，输入线和输出线分开至少5MM以上，以免产生正反馈作用。三在放大器各级电路之间加入电源去耦电路，以消除级间电源波动的互相影响。四放大器输入端加入限流电阻，降低能量，消除自激四测试方案与测试结果41测试仪器一UNITUT332数字万用表二RIGOLDS1052E数字示波器三RIGOLDG1022函数信号发生器42放大器的基本性能测试测试方法通过函数信号发生器产生不同频率和幅度的正弦波，通过该宽带放大器，输出显示在示波器上。从而测出放大器的放大倍数，带载最大输出电压，下限截止频率，上限截止频率，最小输出电压。测试结果如下图（图5图8）所示分析由测试结果可得该宽带放大器的增益为43DB左右，带载最大输出电压为17V，最小输出电压为04V，下限截止频率为6HZ，上限截止频率为20MHZ图5带载最大输出电压图6下限截止频率图7上限截止频率图8最小输出电压43放大器的幅频特性测试431测试输入信号峰峰值为5MV的幅频特性测试方法用函数信号发生器产生峰峰值为5MV，频率分别为1（步进为1HZ）,100HZ,1KHZ,10KHZ,100KHZ,1（步进为）正弦波送入示波器进行测量并描点制图。测试条件50阻性负载。测试结果（测试数据见附三）5MV幅频特性图25303540451HZ8HZ15HZ1KHZ5MHZ12MHZ19MHZ分贝（DB）图95MV幅频特性图432测试输入信号峰峰值为50MV的幅频特性测试方法用函数信号发生器产生峰峰值为50MV，频率分别为1（步进为1HZ）,100HZ,1KHZ,10KHZ,100KHZ,1（步进为）正弦波送入示波器进行测量并描点制图。测试条件50阻性负载。测试结果（测试数据见附三）50MV幅频特性图25303540451HZ8HZ15HZ1KHZ5MHZ12MHZ19MHZ分贝（DB）图1050MV幅频特性图433测试输入信号峰峰值为100MV的幅频特性测试方法用函数信号发生器产生峰峰值为100MV，频率分别为1（步进为1HZ）,100HZ,1KHZ,10KHZ,100KHZ,1（步进为）正弦波送入示波器进行测量并描点制图。测试条件50阻性负载。测试结果（测试数据见附三）100MV幅频特性图2025303540451HZ8HZ15HZ1KHZ5MHZ12MHZ19MHZ分贝（DB）图11100MV幅频特性图分析由幅频特性图可得该放大器的电压增益为43DB左右，带宽下限截止频率低于1HZ，上限截止频率高于2MHZ（测试用函数信号发生器最高产生20MHZ信号），带内波动较低。达到了题目对增益、频带、带内波动的基本要求和发挥部分要求。44放大器输出噪声测试测试方法输入端接50电阻到地，输出端接入示波器进行噪声测量，观察输出噪声波形,测量出放大器的输出噪声。测试条件示波器调至AC耦合。测试结果图12放大器输出噪声分析通过观察输出噪声波形，从示波器读出该放大器的输出噪声为40MV。45测量输出电压（峰峰值）相对误差测试测试方法用函数信号发生器产生峰峰值为10100MV（步进为20MV），频率为20HZ，10KHZ，5MHZ，10MHZ的正弦波，读出液晶上的示数与函数信号发生器发出的信号相比较。测量出相对误差。测试条件50阻性负载。测试结果表1输出电压（峰峰值）相对误差峰值检测20HZ相对误差10KHZ相对误差5MHZ相对误差10MHZ相对误差10MV106610551044104430MV316533289332793134350MV520451632512245122470MV734497284719277162390MV942479313492739273分析由测试结果可得，测量相对误差基本小于5。基本完成题目的发挥部分要求。五总结本系统采用TI公司的高速运算放大器OPA820和THS3091以及MSP430单片机、DCDC变换器TPS61087等作完成了5V单电源供电的具有液晶显示宽带放大器，该放大器的电压增益达到43DB，带宽在6HZ20MHZ，放大器输出电压（峰峰值）达到04V17V,小信号及宽带信号均无明显失真。该放大器性能优越。本次制作采用的芯片绝大部分是由TI公司大学计划赞助的高性能模拟器件。这些芯片优良的性能和较低的功耗极大地方便了我们系统的设计。通过这几天的设计竞赛，我们不但增强了实践能力和协作精神，而且懂得了理论联系实际的重要性，这对我们以后的学习和工作无不裨益。当然，我们的设计中还存在着一些缺陷，有待于将来设计中进一步提高，在此恳请各位老师批评指正。附录附一电源模块原理图TPS61087原理图图1TPS61087原理图MC34063原理图图2MC34063原理图MAX764原理图图3MAX764原理图附二1峰值检测原理图第一级整流电路图4整流电路第二级增益调节电路和积分电路。图5增益调节电路和积分电路2峰值检测结果图6检波前的信号图7检波后的信号附三测试数据表1测试输入信号峰峰值为5MV的幅频特性的测试数据50MV1HZ2HZ3HZ4HZ5HZ6HZ7HZ8HZ9HZ10HZ11HZ12HZ13HZ14HZ15HZ16HZ17HZ18HZ19HZ20HZ100HZ1KHZ分贝420341924225421442144214424214421442144214424214421442144214421442144214421441864192倍数126412481296128128128126128128128128126128128128128128128128128124124850MV10KHZ100KHZ1MHZ2MHZ3MHZ4MHZ5MHZ6MHZ7MHZ8MHZ9MHZ10MHZ11MHZ12MHZ13MHZ14MHZ15MHZ16MHZ17MHZ18MHZ19MHZ20MHZ分贝4186419241754186418641924175414342144225423542614241424942564256425642774277429743074326倍数1241248122412412412481224118128129613121352132133213441344134413761376140814241456表2测试输入信号峰峰值为50MV的幅频特性的测试数据5MV1HZ2HZ3HZ4HZ5HZ6HZ7HZ8HZ9HZ10HZ11HZ12HZ13HZ14HZ15HZ16HZ17HZ18HZ19HZ20HZ100HZ1KHZ分贝421420142414228422842284214420842084208420842084208420842084208421442084208420841944203倍数127412613213013013012812712712712712712712712712712812712712712512645MV10KHZ100KHZ1MHZ2MHZ3MHZ4MHZ5MHZ6MHZ7MHZ8MHZ9MHZ10MHZ11MHZ12MHZ13MHZ14MHZ15MHZ16MHZ17MHZ18MHZ19MHZ20MHZ分贝41944198417641874