大学生电子设计竞赛报告

全国大学生电子设计竞赛2023年TI杯模拟电子系统专题邀请赛设计报告题目：宽带放大器〔A题〕队号：603086宽带放大器摘要：以TI公司的高速宽带运放OPA820ID和THS3091D作为放大模块的宽带低噪声放大器，使用超低功耗MCUMSP430F169处理器为测量显示局部。该放大器主要包括前级放大、中间放大、末级放大、输出电压检波电路、输出电压测量和显示电路等几局部。经过测试，在33KHz～10MHz频段上信号增益稳定、噪声小，符合题目设计要求。1设计目标〔1〕采用高速运算放大器OPA820ID作为第一级放大电路，THS3091D作为末级放大电路，利用DC-DC变换器TPS61087DRC为末级放大电路供电；〔2〕放大器电压增益≧40dB(100倍)，并尽量减小带内波动；〔3〕在最大增益下，放大器下限截止频率不高于20Hz，上限截止频率不低于10MHz；〔4〕在输出负载上，放大器最大不失真输出电压峰峰值≥10V。〔5〕放大器输入为正弦波时，可测量并数字显示放大器输出电压的峰峰值和有效值，输出电压〔峰峰值〕测量范围为0.5～10V，测量相对误差尽量小于5%；2系统方案选择与论证2.1放大模块试题要求信号的增益要大于40DB，这就要求信号的放大倍数至少为100倍，虽然OPA820ID、OPA842和THS3091D均为宽带放大器，带宽增益积均大于200M，考虑到多种因素，单级放大倍数不能过大，系统采用三级放大结构，放大倍数可以采用5×5×4或者5×4×5。第一级运放电路选择方案一：按照试题规定，第一级运放必须选择OPA820ID，由于系统供电电源为5V，可以使用单电源供电，提供2.5V偏置电压。优点为电源可以直接使用；缺点为由于偏置电压的存在，信号的放大倍数将受到限制。方案二：第一级运放OPA820ID，可以采用双电源供电。优点是电路简单，并能提升放大倍数。但是，由于系统供电电源为5V，5V转正负5V电路中如果使用模拟器件将比拟复杂，如果使用DC/DC芯片将会引入太多的干扰，降低信号的品质。方案确定：经过电路模拟和实际测试发现，虽然单电源供电电路较为复杂，但是输出电压的品质较高，噪声非常小，有利于信号的下一级放大。所以，选择方案一。第二级运放电路选择方案一：使用OPA842，作为中间放大级。因其和820一样为电压反应型，电路结构较为相似，具有240MHz的带宽增益积，可以作为中间放大环节。方案二：使用OPA820，作为中间放大级。电路结构与第一级根本相同，差异为调整放大倍数小于25，具有200MHz的带宽增益积，可以作为中间放大环节。方案确定：由于制作时间限制，第一级运放电路已成熟，因此，本设计采用的二种方案。2.1.3末方案一：按照试题规定，末级运放必须选择THS3091D，由于系统供电电源为5V，所以必须使用DC/DC芯片TPS61087DRC升压后，为THS3091D供电。所以只能选择单电源15V供电，并提供7.5V偏置电压。优点为电源可以比拟容易得到；缺点为由于偏置电压的存在，信号的放大倍数将受到限制。方案二：末级运放THS3091D，可以采用双电源供电。优点是能提升放大倍数。但是，由于供电电源为15V，单电源转正负5V电路中如果使用模拟器件将比拟复杂，如果使用DC/DC芯片将会引入太多的干扰，降低信号的品质。方案确定：因单电源供电电路较为简单，减小放大倍数可以提高输出电压的品质较高，减小噪声。所以，选择方案一。2.2检波电路因检波器的输入调幅信号幅度较大〔大于0.5V〕，所以，为大信号检波。其特点是二极管运用在伏安特性曲线的线性局部，虽然输入调幅信号的幅度较大，但在整个周期内二极管不总是导通的。2.3AD采样电路AD采样通过TI的低功耗单片机MSP430F169使用其自带的ADC通道，完成电压峰值的检测。2.4显示电路通过TI的低功耗单片机MSP430F169将采集的到的电压信号经过转换，在LCD1602上实时显示。3系统总体设计3.1硬件设计以低功耗单片机MSP430为主控器件、分为前级放大、增益控制、功率放大、峰峰值检测等模块，本课题采用高速运算放大器OPA820ID作为前级和中间放大电路，利用THS3091D作为末级功率放大电路。为了显示输出电流的峰峰值和有效值，使用高速宽带运放THS3091D跟随后进行峰峰值检测，得到输出信号的峰值，通过TI的低功耗单片机MSP430F169使用其自带的ADC通道，完成电压峰值的检测，并在LCD1602上实时显示。图1系统硬件实现框图3.1软件设计本系统的程序较为简单，通过MCU的P6.3口检测检波输出电压值，经过峰值转换有效值和峰峰值。并显示在1602上。图2系统硬件实现框图4系统单元电路设计4.1电源模块设计系统使用的直流电源为5V，直接供应单片机、第一级、中间级放大器和DC/DC芯片。末级使用DC/稳压后的15V电压，如果直接使用15V电源为末级放大器供电，在带负载时，会出现电压跌落。。图3升压电源硬件原理4．2放大模块参数选择为了更好的选择运放的参数，在结合数据手册中的应用实例的前提下，使用TINA-TI的模拟电路仿真软件对整个放大回路做了一个比拟细致的仿真，以便于为实际电路的参数提供参考。仿真电路的原理图如下：图4系统仿真原理图50mV信号放大倍数的曲线如下列图所示：图5TINA的仿真结果曲线4.3第一级放大器电路设计使用TL431为第一级和第二级OPA820运放提供稳定的2.5V工作点。放大倍数约为6.6倍。图6第一级放大器电路4．4第二级放大器电路设计第二级的反应电阻为560欧，增益电阻为220欧，实测增益约为3.6.图7第二级放大器电路4.5末级放大器电路设计这里使用7.5V稳压管，为3091提供偏置工作点。反应电阻的实测值为3.11K，增益电阻阻值为0.989欧，实测增益约为4.1。此时，运放的总增益为6.6×3.6×4.1约为98.信号输出稳定。图8末级放大器电路4.6检波电路设计检波电路采用采用点接触型锗二极管2AP系列，检测频率可达1GHz，自身的管压降小于0.1V。能够尽可能准确的检测到输出电压的峰值。图9检波电路4.7MCU的系统原理图系统里采用P6.3的A3通道作为输出信号的采样通道。图10MCU原理图4.8显示局部显示局部采用的是1602字符液晶，16x02即32个字符，1602液晶模块内部的字符发生存储器〔CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，通过发送命令和发送所需要显示字符的代码，即可获得所需显示的字符。能够实时显示输出信号的峰峰值和有效值。5测试结果分析5.1测试装置与仪器F10型函数信号发生器正5v电源双踪示波器5.2测试结果与分析从20Hz开始，输入信号为110mV，逐次升高频率，发现在20Hz～20KHz，由于耦合电容值偏小，导致信号衰减过大，输出的电压幅值偏小，经过在各级运放之间增加耦合电容，为低频信号提供通路，输出有所改善。在较高频率段，由于信号源自身的衰减，使输出电压幅值略有下降，通过实际输入和输出信号的测量计算，仍保持固定的增益。在衰减-3DB的条件下可到达15MHz。下列图为10MHz条件下的输入信号、输出信号的波形如下表所示：5.3主要器件清单种类名称及规格数量OPA8202THS39011TL4311TPS610871电感6.8uH1肖特基二极管SL2215.4设计实物6设计总结使用高速宽带运放OPA820ID和THS3091D作为放大模块的宽带低噪声放大器，实现了将小信号放大100倍的目的，高通频带在22K～11MHz上可以输出峰峰10V以上，较好满足了根本功能的要求。使用超低功耗MCUMSP430F169处理器为测量输出电压并显示，充分的发挥了扩展功能，符合设计要求。但是由于对于低频局部准备的缺乏，导致系统在20KHz以下的频段，响应特性不太理想。参考文献【1】张毅坤、陈善久、裘雪红编著.《单片微型计算机原理及应用》