寬帶放大器摘要本作品采用單位增益穩(wěn)定、低噪聲的電壓反應(yīng)運(yùn)算放大器OPA820和高帶寬、低失真、單位增益穩(wěn)定的電壓反應(yīng)運(yùn)算放大器OPA842及高電壓、低失真的電流反應(yīng)運(yùn)算放大器THS3091構(gòu)成三級(jí)放大電路。電路由前級(jí)放大模塊、中間級(jí)放大模塊、后級(jí)放大模塊、電源模塊和峰峰值檢測(cè)顯示模塊組成。通過(guò)合理的分配三級(jí)放大的倍數(shù)很好的實(shí)現(xiàn)了放大器電壓增益≧40dB(100倍)的要求，并且?guī)?nèi)波動(dòng)小。采用MSP430單片機(jī)作為峰峰值的檢測(cè)和顯示；使用7660CPAZ構(gòu)成5電源；采用DC-DC變換器TPS61087DRC的實(shí)現(xiàn)了為末級(jí)放大電路供電；用有源RC的濾波的方法減少了高頻波段的干擾。同時(shí)使用屏蔽線傳輸信號(hào)、利用瓷片電容和膽電容穩(wěn)壓等抗干擾措施以減少放大器的噪聲并抑制高頻自激。經(jīng)驗(yàn)證，本方案完成了全部根本功能，擴(kuò)展局部最小輸出電流沒(méi)有到達(dá)0.5V。關(guān)鍵詞寬帶放大器MSP430單片機(jī)OPA820THS3091一、方案設(shè)計(jì)與論證經(jīng)過(guò)仔細(xì)的分析和論證，我們認(rèn)為此次寬帶放大器可分為前級(jí)放大模塊、中間級(jí)放大模塊、后級(jí)功率放大模塊、濾波器模塊、電源模塊及峰值檢測(cè)顯示模塊。1.1前級(jí)放大局部方案的論證采用單位增益穩(wěn)定、低噪聲的電壓反應(yīng)運(yùn)算放大器OPA820，實(shí)現(xiàn)4倍增益放大。1.2二級(jí)放大的論證和選擇方案一：采用分立元件設(shè)計(jì)。此方案元器件本錢(qián)低，但設(shè)計(jì)復(fù)雜度較大，并且由于受到眾多寄生元件的影響，調(diào)試復(fù)雜且周期長(zhǎng)，頻率高時(shí)更突出。因此此方案在高增益高寬帶內(nèi)難以保證可靠性和指標(biāo)，也不便于保真系統(tǒng)穩(wěn)定。方案二：采用TI提供的高帶寬、低失真、單位增益穩(wěn)定的電壓反應(yīng)運(yùn)算放大器OPA842。該OPA842單位增益穩(wěn)定，電壓反應(yīng)與兩個(gè)內(nèi)部增益級(jí)架構(gòu)，OPA842實(shí)現(xiàn)在較寬的頻率范圍非常低諧波失真。能夠很好的到達(dá)低失真，低噪聲和較高的帶寬范圍要求。所以我們選擇此方案來(lái)實(shí)現(xiàn)中間級(jí)的25倍增益放大。1.3末級(jí)放大電路方案論證由于我們訓(xùn)練時(shí)使用的是高電壓、低失真的電流反應(yīng)運(yùn)算放大器THS3091。THS3091的高電壓，低失真，高速度，旨在為需要工作在±5伏的寬電源電壓范圍為±15V的電流反應(yīng)放大器，并且能夠單電源供電,正好能夠?qū)崿F(xiàn)在輸出負(fù)載上，放大器最大不失真輸出電壓峰峰值≥10V的要求。所以我們選擇此方案。1.4電源模塊方案論證和選擇方案一：使用555構(gòu)成5電源，但是555構(gòu)成的電源紋波較大，對(duì)放大器的穩(wěn)定性造成了很大的影響,不利于系統(tǒng)整體的實(shí)現(xiàn)。方案二:使用7660CPAZ構(gòu)成5電源，電路簡(jiǎn)單紋波小，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的要求。利用TPS61087實(shí)現(xiàn)+5V到+12V的轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)HS3091供電。最后我們采用方案二。二、理論分析與計(jì)算2.1帶寬增益積帶寬增益積(GBP)是用來(lái)簡(jiǎn)單衡量放大器性能的一個(gè)參數(shù)，這個(gè)參數(shù)表示增益和帶寬的乘積。按照放大器的定義，這個(gè)乘積是一定的。按照題目發(fā)揮局部的要求，信號(hào)的通頻帶為0～10MHz，最大電壓增益AV>40dB,那么增益帶寬積為：10M×10^〔40/20〕>1GHz,又輸出最小電壓要到0.5V,我們采用分級(jí)放大的方式，使放大器整體增益超過(guò)40dB.盡量滿足到達(dá)最小峰值的發(fā)揮要求。2.2增益分配分析本系統(tǒng)采用三級(jí)放大電路，題目要求增益要大于40dB,最大電壓峰峰值要大于10V，且要求在最大增益下，放大器下限截止頻率不高于20Hz，上限截止頻率不低于5MHz；由于增益的增大會(huì)減少帶寬，所以，合理分配各級(jí)放大器的放大倍數(shù)是必須的。由于OPA842有400MHz的增益帶寬積，經(jīng)過(guò)分析，我們選擇前級(jí)放大12.44dB增益，中間級(jí)放大27.96dB，末級(jí)放大6.52dB增益，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總放大224倍，到達(dá)題目要求。2.3通頻帶計(jì)算放大器鏈路的組成如下列圖所示：OPA820OPA842THS3091輸入輸出R51B1=60MHzB2=16MHzB3=210MHz圖2-1放大器鏈路圖上圖注明了設(shè)計(jì)中每級(jí)增益的分配，并且下方依據(jù)芯片手冊(cè)給出了各級(jí)-3dB通頻帶的上限。系統(tǒng)通頻帶由三級(jí)OPA820、OPA842、THS3091共同決定，由頻率相應(yīng)公式可知系統(tǒng)增益與頻率的關(guān)系如下：式中，，，，為芯片資料中相應(yīng)運(yùn)放的通頻帶，||為放大鏈路中各級(jí)放大器的中頻電壓放大倍數(shù)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，系統(tǒng)3dB帶寬大于10MHz,能夠滿足發(fā)揮局部的要求。2.4線性相位分析假設(shè)某個(gè)頻率的正弦信號(hào)通過(guò)一個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間需要T，那么這個(gè)信號(hào)的輸出相位落后原來(lái)信號(hào)W*T的相位。那么該信號(hào)被延遲了。在實(shí)際系統(tǒng)中，一個(gè)輸入信號(hào)可以分解為多個(gè)正弦信號(hào)的疊加，為了使得輸出信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生相位失真，必須要求它所包含的這些正弦信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)的時(shí)間延遲是一樣的,那么要求落后的相位要正比于頻率w。從系統(tǒng)的頻率響應(yīng)來(lái)看，就是要求它的相頻特性是一條直線。本系統(tǒng)中會(huì)引入時(shí)延的主要有兩個(gè)局部：各級(jí)運(yùn)算放大器和濾波器。從個(gè)運(yùn)算放大器相頻特性曲線上可以看出運(yùn)放不是線性相位系統(tǒng)。而完全理想的線性相位濾波器對(duì)于一定頻率范圍的時(shí)間延遲是一個(gè)常數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)線性相位。從本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的使用RC低通濾波器的相頻特性上看，此濾波器不是線性相位的。2.5抑制直流零點(diǎn)漂移分析零點(diǎn)漂移是指當(dāng)放大電路輸入信號(hào)為零時(shí)，由于受溫度變化，電源電壓不穩(wěn)等因素的影響，使靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變化，并被逐級(jí)放大和傳輸，導(dǎo)致電路輸出端電壓偏離原固定值而上下漂動(dòng)。放大電路級(jí)數(shù)愈多、放大倍數(shù)愈大，輸出端的漂移現(xiàn)象愈嚴(yán)重。本系統(tǒng)主要由前置放大級(jí)、中間級(jí)和末級(jí)功率放大這三級(jí)組成，由于系統(tǒng)為寬帶直流放大器，所以各級(jí)之間必須采用直接耦合的方式來(lái)抑制零點(diǎn)漂移。2.6放大器穩(wěn)定性分析放大器在工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)自激，外部干擾等，影響放大器穩(wěn)定的工作。當(dāng)放大器深度負(fù)反應(yīng)時(shí)輸出信號(hào)帶有一定的紋波。本系統(tǒng)在末級(jí)輸入端增加一低通RC濾波器消除高頻的紋波干擾。為抑制干擾在放大器電源兩端并接一個(gè)0.1uF的瓷片電容可以消除輸出信號(hào)的干擾。對(duì)系統(tǒng)的焊接布局，進(jìn)行認(rèn)真合理的分析，盡量防止焊接點(diǎn)之間形成90度角，焊接成45度角，嚴(yán)格區(qū)分各接地端的連接位置，避開(kāi)輸入輸出端的連接位置，防止系統(tǒng)引起自激振蕩?？梢源蟠蠼档托盘?hào)的干擾。三、電路與程序設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總體方案根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)總共分為五大局部：第一局部前級(jí)放大電路，實(shí)現(xiàn)12.04dB增益放大；第二局部中間級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)27.96dB增益放大；第三局部末級(jí)放大提高系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力；第四局部電源模塊實(shí)現(xiàn)單5V供電到±5V,+12V供電的轉(zhuǎn)變；第五局部峰峰值檢測(cè)及顯示模塊。系統(tǒng)整體框圖如下列圖3-1：圖3-1系統(tǒng)總體框圖3.2前級(jí)放大電路設(shè)計(jì)前級(jí)放大電路有OPA820構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)的放大增益為12.44dB，12.44dB帶寬為60MHz,在其同向輸入端并聯(lián)51歐電阻到地，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。電路圖如圖3-2所示：圖3-2前級(jí)放大電路圖3-3中間級(jí)放大電路3.3中間級(jí)放大電路設(shè)計(jì)中間級(jí)采用高帶寬、低失真、單位增益穩(wěn)定的電壓反應(yīng)運(yùn)算放大器OPA842實(shí)現(xiàn)27.96dB的增益放大，27.96dB帶寬為20MHz。OPA842單位增益穩(wěn)定，采用電壓反應(yīng)與兩個(gè)內(nèi)部增益級(jí)構(gòu)成，OPA842在較寬的頻率范圍非常低的諧波失真。低電壓噪聲，高輸出電流驅(qū)動(dòng)使OPA842最適合高動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用。單位增益穩(wěn)定，使OPA842特別是對(duì)高增益差分放大器，跨阻放大器，正好能夠滿足題目高帶寬、低失真、低噪聲的要求。電路圖如上圖圖3-3：3.4末級(jí)功率輸出局部圖3-4末級(jí)放大電路末級(jí)采用高電壓，低失真，電流反應(yīng)運(yùn)算放大器THS3091增大驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力。THS3091的高電壓，低失真，高速，旨在為需要申請(qǐng)工作在±5伏的寬電源電壓范圍為±15V的電流反應(yīng)放大器大具有高達(dá)7300V/μs的壓擺率，帶寬不小于200MHz，該級(jí)實(shí)現(xiàn)6.02dB增益放大，THS3091依然還有210MHz帶寬。電路圖如右圖3-4：圖3-4末級(jí)放大電路3.5電源電路的設(shè)計(jì)按照題目要求，的要求我們采用TPS61087實(shí)現(xiàn)+5V到+12V的轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)HS3091實(shí)現(xiàn)單電源供電，電路圖如上圖3-5(a)所示。使用7660CPAZ構(gòu)成5電源，電路簡(jiǎn)單且紋波小，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的要求，如圖3-5〔b〕所示。(a)+5V到+12V電路圖3-5(b)+5V到±5V電路3.6峰峰值的檢測(cè)的設(shè)計(jì)峰峰值檢測(cè)電路主要完成顯示任務(wù)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的顯示，由于單片機(jī)不可能直接檢測(cè)的峰峰值為10V的電壓，所以我們采用電阻分壓，來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)峰峰值的目的。3.7抗干擾處理我們?cè)趯?shí)際制作中采用下述方法減少干擾，防止自激：1、輸入輸出從焊接板一端進(jìn)，另一端出防止信號(hào)形成回路產(chǎn)生自激振蕩；2、在焊接電路時(shí)，將整個(gè)電路運(yùn)放用底線包圍，以吸收高頻干擾信號(hào)，減少噪聲，防止高頻輻射，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定度。3、各級(jí)放大電路的地線分開(kāi)連接，防止各級(jí)運(yùn)放由于供電電壓不同而產(chǎn)生相互影響。3.8程序設(shè)計(jì)在此系統(tǒng)中，軟件局部主要由MSP430單片機(jī)完成，AD采樣采用中斷方式，單片機(jī)采用低功耗模式，完成峰峰值采樣，通過(guò)程序設(shè)計(jì)計(jì)算在LCD顯示負(fù)載端峰峰值和有效值，程序流程圖如下。開(kāi)始開(kāi)中斷，低功耗模式啟動(dòng)ADC為單通道屢次模式關(guān)看門(mén)狗，初始化時(shí)鐘開(kāi)始開(kāi)中斷，低功耗模式啟動(dòng)ADC為單通道屢次模式關(guān)看門(mén)狗，初始化時(shí)鐘否數(shù)據(jù)處理顯示采樣轉(zhuǎn)換得34個(gè)值讀轉(zhuǎn)換結(jié)果AD中斷入口數(shù)據(jù)處理顯示采樣轉(zhuǎn)換得34個(gè)值讀轉(zhuǎn)換結(jié)果AD中斷入口圖3-6程序設(shè)計(jì)框圖四、系統(tǒng)的測(cè)試及結(jié)果分析4.1測(cè)試儀器序號(hào)名稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量1DG1022雙通道函數(shù)/任意波形發(fā)生器12普源DS1052E數(shù)字示波器13DF1731-SB3A直流穩(wěn)壓電源14UT39A數(shù)字萬(wàn)用表14.2測(cè)試方案及結(jié)果1、放大器電壓增益≧40dB(100倍)測(cè)試及峰值檢測(cè)。測(cè)試方法：用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生頻率1MHz,輸入峰峰值分別為4mv、5mv、10mv、20mv、50mv正弦波進(jìn)行測(cè)量。直接從LCD顯示器即可讀出輸出電壓峰峰值。測(cè)試條件：帶50阻性負(fù)載，增益為系統(tǒng)固定增益47dB，輸入頻率固定為1MHz輸入峰值Vpp4mv5mv10mv20mv50mv輸出峰值Vpp960mv1.16v2.16v4.60v11.2v實(shí)際增益G47.60dB47.31dB46.74dB47.23dB47.10dB增益誤差1.28%0.66%0.55%0.49%0.21%測(cè)試結(jié)果分析；由數(shù)據(jù)可以看出，信號(hào)增益≧40dB(100倍)，最大輸出電壓峰峰值為11.2V到達(dá)了題目的根本要求。最小輸出電壓峰峰值為0.96V到達(dá)了發(fā)揮局部的大局部要求。測(cè)量相對(duì)誤差小于5%，滿足發(fā)揮局部要求，且信號(hào)輸出波形無(wú)明顯失真。噪聲測(cè)試題目發(fā)揮局部要求盡可能降低放大器的輸出噪聲；，故對(duì)放大器的噪聲進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試方法：由于系統(tǒng)增益固定，所以增益定為系統(tǒng)增益47dB,示波器輸入端加50電阻匹配到地，用示波器測(cè)量輸出端噪聲,測(cè)得噪聲的峰峰值為300mv,結(jié)果說(shuō)明噪聲很低，能夠滿足要求。3、在最大增益下，放大器的上下限截止頻率檢測(cè)；測(cè)試方法：用函數(shù)發(fā)生器輸入固定峰峰值，按下表給定輸入頻率值，輸入相應(yīng)的頻率，用示波器測(cè)試輸出端峰峰值記錄值如下：固定增益〔47dB〕輸入峰峰值Vpp=20mV固定增益〔47dB〕輸入峰峰值Vpp=50mV輸入頻率輸出峰值輸入頻率輸出峰值輸入頻率輸出峰值輸入頻率輸出峰值20HzVpp=4.56V4MHzVpp=4.55V20HzVpp=11.20V4MHzVpp=11.80V50HzVpp=4.60V5MHzVpp=4.50V50HzVpp=11.40V5MHzVpp=11.6V100HzVpp=4.64V6MHzVpp=4.50V100HzVpp=11.42V6MHzVpp=11.52V1KHzVpp=4.60V7MHzVpp=4.50V1MHzVpp=11.20V7MHzVpp=11.24V1MHzVpp=4.60V8MHzVpp=4.50V1MHzVpp=11.10V8MHzVpp=10.94V2MHZVpp=4.609MHzVpp=4.50V2MHzVpp=11.00V9MHzVpp=10.94V3MHZVpp