宽带放大器设计报告

PAGEPAGE2宽带放大摘要：本系统以TI公司的高精度、快速度、宽带运算放大器OPA820ID、可编程器件VCA822及超低功耗MSP430F169单片机为核心实现了20Hz~10MHz交流小信号的宽带放大及输出电压峰峰值和有效值的测量与显示。设计采用自制的直流稳压电源为系统供电；OPA820ID构成系统的前级放大电路；可编程器件VCA822构成中间级程控放大电路；TPS3091D构成系统的末级功率放大电路，其中末级功率放大电路的供电电源有系统电源经TPS61087DRC升压得到；末级输出经峰值检波并通过单片机微小系统及液晶显示模组SPLC501关键词：OPA820IDVCA822THS3091D单片机宽带放大一、系统方案1、方案论证与比较分析题目各项要求，放大器的增益设定和功率放大是本题的重点，方案论证主要围绕中间级主放大电路，末级功率放大、检波电路及直流稳压电源这几个模块展开。1.1、主放大模块方案一：采用集成宽带运放，如OPA820ID，完全能够满足题目基本要求的设计，但其增益受限，对整体方案设计不利；OPA657虽然增益可达40dB，但其增益不可调节。方案二：由单片机和可编程增益放大器VCA822构成压控放大器，单片机通过控制D/A输出直流电压来控制VCA822的内部电阻衰减网络，实现增益调节。其外围元件少，电路简单，由于VCA822带宽最大能达到100MHz，增益范围有40dB，完全满足题目发挥部分要求，且可程控，增加灵活性，所以本部分采用该方案，放弃方案一。1.2、功率放大模块方案一：单片THS3091D构成功率放大。方案二：两片THS3091D进行功率合成。由于题目要求，50Ω负载上，放大器最大不失真输出电压峰峰值≥10V，而THS3091D在+15V单电源供电条件下的最大输出电流为200mA，若采用方案一，则输出电流较低，因此我们采用两片THS3091D构成功率合成，提高输出电流。1.2、直流稳压电源模块方案一：前级和主放大电路采用5V单电源供电。方案二：前级和主放大电路采用±5V双电源供电。OPA820ID、VCA822若采用单电源供电，低频效应不能保证，工作点难以确定，我们采用±5V双电源供电。1.3、检波电路模块方案一：采用集成真有效值变换芯片，直接输出被测信号的真有效值,例如AD637，但由于一般的有效值检波的芯片难以达到10MHz的宽带，无法满足设计要求。方案二：考虑到本题要求测量的是标准正弦波，可采用峰值检波电路，检出峰值经A/D转换后由单片机转换为有效值。电路简单可靠，精度较高，速度较快，故采用此方案。2、系统总体方案框图基于以上分析系统方框图如下图1所示图1系统方案框图二、理论分析与计算2.1、带宽增益积带宽增益积(GBP)可用来简单衡量放大器的性能，表示增益和带宽的乘积。按照放大器的定义，这个乘积是一定的。题目中要求放大器最大电压增益≥40dB，即Gain≥100V/V。放大器的通频带0～10MHz，所以本放大器的带宽增益积GBP为：GBP=1000*10M=10G（1）单个放大器是很难达到10G的GBP，所以我们考虑多级放大器级联。经过查阅手册，G=5时，OPA820的GBP≥300M，级联上后级的VCA822和THS3091，足以满足设计要求2.2、电压控制增益的原理VCA822的基本增益为：（2）其中，VG是差分输入电压，单位是V，Rf、Rg分别为反馈电阻和增益电阻，为常数，Gain是VCA822的基本增益,用放大倍数表示。从此式可以看出，放大倍数和电压之间是线性的关系。由此可以得出，只要单片机进行简单的线性计算就可以控制增益，增益步进可以很准确地实现。但若要用dB来表示增益的话，则需将放大倍数经过复杂的对数运算转化为dB后再去控制VCA822的增益，这样在计算过程中就引入了较大的运算误差，我们不采用此方式。三、电路设计1、前级放大电路OPA820ID作为第一级放大电路，为减小前级输入噪声的影响，前级应当做到最大增益，但考虑到高频对宽带增益的限制，在此我们设计增益G=1+Rf/Rg=5。电路如图2所示。图2前级放大电路2、程控放大电路单片机经D/A给出0V～2V的电压经OP07处理后，可控制VCA822的放大倍数，作为该系统的核心放大模块，我们选择Rf/Rg=50，实现0dB~40dB的增益控制。电路如图3。图3程控放大电路图3、功率放大电路两片THS3091D构成功率合成，为避免放大倍数太大而自激，引入干扰。末级放大电路增益应尽可能小，又VCA822的最大输出为8Vpp，小于10Vpp，所以在此我们选择增益G=1+Rf/Rg=2.电路如图4所示。图4功率放大电路图4、检波电路峰值检波电路有二极管、三极管和电压跟随器组成，三极管基极由单片机控制，产生1Oμs的高电平使电容放电，以减少前一频率测量对后一频率测量的影响，提高幅值测量精度。电路如图5所示。图5检波电路图5、DC-DC直流稳压电源5V直流稳压电源经5V直流稳压电源经TPS61087DRC升压到+15V为末级放大电路供电，电路如下图6所示。5V直流稳压电源经WRB0505CKS-1W将电压转换为±5V为程控放大电路供电，电路如右图7所示。图7±5v稳压电源图图6+15v稳压电源图四、程序设计系统软件模块系统软件模块包括AD采样、DA转换、键盘控制与LCD显示。MSP430f169的AD采样用来测量输出电压幅度；DA转换出模拟信号来控制VCA822的放大倍数；键盘可控制系统流程、输入数据及一些智能化操作；LCD用来显示系统流程、系统输出电压峰峰值和有效值。整体软件系统流程如右图所示五、系统测试及分析1、测试仪器多功能数字万用表FLUKE17B；数字示波器RIGOLDS5102M；功率函数发生器SG1645。2、放大器电压增益测试测试方案：设置输入信号频率为500kHz,输入信号以信号峰峰值为单位。输出信号以示波器的输出电压峰峰值为标准，计算出交流增益，增益预置以倍数表示，括号中换算为dB，主要测试数据如表1所示。预设增益1050100400600800900100020dB34dB40dB52dB55.6dB58.1dB59.1dB60dB输入电压20mv40mv20mv25mv30mv40mv40mv40mv实测电压202mv2v2.047.6v5.65.1v5.14.9实际增益19.2dB34dB41.2dB49.7dB45.4dB42.1dB42.1dB41.8dB有测试结果可得，最大增益为42.1dB。3、放大器带宽及带内波动测试测试方案：设置放大器的带宽为10MHz，输入信号电压为20mVpp，增益设置为60dB，对这个预置带宽进行频率扫描，测得输出信号幅度，记录-3dB衰减对应的频率点，计算0--10MHz的增益起伏。测试结果：对带宽为10MHz的放大器，实测-3dB截止频率为(20MHz)，对于0--10MHz带宽，增益起伏≦1dB。4、最大不失真输出电压峰峰值测试测试方案：输入信号频率设置为100kHz，10MHz，输入信号电压峰峰值为20mV，用示波器观察输出信号不失真的条件下，记录最大输出电压峰峰值。100K:7.6v(vpp);10M:5.6(vpp)测试结果：100kHz的频点上，最大输出电压正弦波峰峰值为9.6V，波形均无明显失真。10MHz的频点上，最大输出电压正弦波峰峰值为7.6V，波形均无明显失真。5、输出端噪声测试测试方案：输入接地，设置增益G=60dB，用示波器探测输出端噪声电压，测得峰峰值为200mv6、测量相对误差计算总结：测试结果表明，本系统基本上达到了题目设计的要求，实现了部分指标。但是由于时间紧迫，知识不足，一些指标未能完成。在实测过程中，前级与中间级放大倍数均作了修改，末级放大中没能做到预期的放大两倍的效果，只做到了跟随的作用。尤其THS3091D的单电源供电过程中偏置与静态工作点难以控制。发挥部分基本达到指标，但效果