宽带放大器前级放大电路

宽带放大器(A题)

摘要

本作品主要由增益放大器OPA820ID和功率放大芯片THS3091D,分别实现增益信号的调节和末级功率的放大，在20HZ到5MHZ带宽范围之间的小信号进行有效的放大，实现增益0dB到100dB之间连续可调，最大不失真输出电压有效值不小于10V，利用DC—DC变换器TPS61087DRC为末级放大电路供电。系统主要由三个模块组成：前级放大电路；功率放大电路；供电电路，本设计在放大电路中设计了相位补偿电路和防止产生自激振荡电路，由于电路限用单电源供电，所以在电路设计时加入了合适的偏置。

关键词：宽带增益放大器 OPA820ID TPS61087DRC THS3091D

一方案选择与论证：

分析设计题目的各项要求，放大器的增益调节是重点，而功率放大是本题的难点，因此有以下的方案选择与论证。

1增益放大电路部分

方案一：采用TI公司提供的OPA820ID芯片，采用反相输入比例运算放大电路，设计简单，但容易产生自激振荡，电路稳定性差，不选用此方案。

方案二：采用多级放大器的级联实现增益放大，通过模拟开关选择信号的级联放大，每一级实现不同的增益放大，最终实现的增益等于各级增益之和。此方案原理简单，但需较多模拟开关和较多运放的级联，增加了系统的成本和不稳定性，而且调试难度较大，增加了本身的不稳定性。故放弃此方案。

方案三：采用TI公司提供的OPA820ID芯片，采用同相输入比例运算放大电路，设计简单，且能有效避免自激，稳定性好。采取此方案。

2功率放大部分

方案：由于题目要求采用THS3091ID，所以放弃使用分立元件实现的方

案，而使用集成高速功率放大器THS3091D，驱动负载能力较大，低噪声，采用并联三个THS3091D高速宽带放大器，电路简单，增益可调，而且方便调试，为防止自激，我们采用输入电压从反相输入端输入，由于THS3091D为单电源供电，所以在其同相输入端加入直流偏置电路，以使同相输入电压为Vcc/2.其原理图见下。总放大增益为16 dB。而其在输出端能实现大电流输出，完全满足题目要求，实现起来简便易行，易于调试，且噪音小。故采用此方案。

二理论分析计算：

1 增益分配：

（1）前级放大电路以OPA820ID为核心，其频率上下限控制在10HZ-10MHZ，其电压增益不小于40db。前级放大电路有两级OPA820ID构成，为实现输入阻抗匹配，系统第一级为缓冲级，为扩展通频带，输入缓冲级增加一补偿电路。第一级放大倍数为16dB，在其同向输入端加入直流偏置。第二级放大倍数为16 dB。题目要求放大电路不失真时输出电压峰峰值大于10V。频率下限不大于20HZ，上限不小于5MH，而本电路对输入输出电压及频率都有限制，所以，必须合理分配各级放大器的放大倍数。

第一级电路由OPA820ID构成电压串联负反馈，在其同向输入端加入直流偏置电路以使其同相输入端电压稳定在Vpp/2，即2.5V。为展宽电路通频带，在其电路反向输入负载并联30pf可调电容。使并联后总的阻抗减小，频率增大，使高频顺利通过。起补偿作用。在此电路中，在OPA820ID电源端加入去耦电容和瓷珠。以稳定输出电压及起滤波作用。两级放大电路通过隔直电容级联。

末级放大电路以THS3091D为核心，其电压增益为16dB采用并联三个THS3091D高速宽带放大器，为防止自激，我们采用输入电压从反相输入端输入，由于THS3091为单电源供电，所以在其同相输入端加入直流偏置电路，以使同相输入电压为Vcc/2.其原理图见下。总放大增益为16dB。而其在输出端能实现

大电流输出，完全满足题目要求，实现起来简便易行，易于调试，且噪音小。

2：放大器带宽增益积

（1）带宽增益积（GBP ）是衡量放大器性能的一个重要参数。电压反馈型运放带宽和增益存在一定关系：从对应波特图可看出：直流到由反馈回路决定得主极点Ｆｃ之间，带宽增益积恒定，在该频率以上，如果频率升高一倍增益就会降低一半，运算放大器的3db 宽频率就是Fc 放大器带宽增益积BW*Au=C 常数，所以设计电路时进行折衷选择。题目要求通频带范围为20HZ-5MHZ,增益大于等于40db ，即Gain>=100V .故其GBP=500 故考虑多级放大器级联。

（2）假设放大电路的高频响应用下面单极点函数表示：

A(jw )=m A /(1+jw /h w ); (2--1)

式中m A 为放大器的中频增益，w 为角频率，h w 为上限角频率，当引入正反馈并假设反馈网络的反馈系数与频率无关的实数B 时，则有：

A

(jw )=A(jw )/[1+BA(jw )]; (2--2)

将式（2--1）代入式（2--2）中得

()jw A f =

[]

H

m B

A m

w B A jw

A

m )1(11+

+

+

(2--3) 由此可知，反馈中频增益为Am=Am/(1+AmB),上限角频率为W hf=Wh(1+AmB) 这说明引入负反馈后，放大电路的上限频率扩展了扩展程度与反馈深度F 有关。对本系统直流放大器，放大器下限角频率为零赫兹，所以无馈时放大器通频带为BW=h f 接入正反馈后，放大器通频带为

B Wf =Hf f =(1+m A B) B w (2--4) 式（2—4）表明：引入负反馈后放大器通频带扩展到无反馈时的（1+AmB ）倍。而且带宽增益积为一常数。

改善系统幅频特性不仅考虑带宽增益积就足够，还有其他因素的考虑，如运放的摆率，驱动负载的能力小信号的放大后输出信号的质量等。

3：抑制直流零点漂移

零点漂移是指输入信号为零时，由于受温度影响、电源电压不稳定等因素影响，是静态工作点发生变化，并被逐放大和传输，导致电路输出端偏离原固定值而漂移。抑制零点漂移的措施除了精选元件、选用高稳定度电源以及稳定静态工作点之外，还可用设计差动输入级来抑制零漂。在实际电路中，我们常采用补偿的办法来抑制。补偿是指用另外一个元器件来抵消放大电路的漂移，使零点漂移降到最低。本题我们在前级放大电路均设计了直流偏置电路，使零漂降到较低限度。