宽带放大器

宽带放大器
摘要本作品以TI公司的超低功耗单片机MSP430F149单片机为控制核心，整个系统采用5V单电源供电，利用ICL7660芯片和TI公司的DC-DC变换芯片TPS61087DRC，成功解决了各运算放大器的供电问题。

系统设置三级放大，总电压增益为46DB。

在最大增益和带50Ω阻性负载时，放大器输出波形无明显失真，峰峰值大于10V，测量误差小于5%。

同时系统元件少，性价比高，输出噪声小，较好的完成了基本部分和发挥部分的要求。

关键词宽带放大器MSP430F149 TPS61087DRC ICL7660 峰峰值检测
一、系统方案
1、方案比较与选择
（1）直流稳压电源
设计要求系统采用5V单电源供电，而整个系统要完成指定功能，需要提供至少4种电压值，因此，解决电源问题，是设计的一大关键。

方案一：采用555构造电压转换电路。

经测试，电路可实现5V—15V范围内正负电压的转换，电路简单，但输出电压不稳定，输出电流小。

方案二：利用ICL7660芯片，产生5V
-电压，通过TI公司TPS61087DRC 芯片实现升压。

该方案电路简单，易于实现，输出电压稳定，输出电流大。

故采用此方案。

（2）功率放大模块
方案一：用分立元件，如采用高频三极管，场效应管等分立器件实现。

三极管使用灵活，成本比集成运放芯片低的多，易于购置。

但是设计、调试难度太大，周期很长，尤其是短时间内手工制作难以保证可靠性及指标，由于其分立元件的分布参数较大，增加了放大器的幅频特性和调试难度。

故不采用此方案。

方案二：利用集成器件BUF634缓冲器芯片进行末级扩流处理，这样设计可以简化外围电路，调试容易，但其输出电流极限值仅为250mA，且末级仅能进行扩流处理，对电压没有放大，同时成本也很高。

方案三：采用TI公司高电压，低失真，电流反馈运算放大器THS3091D，该运放带宽达到210MHz，输出电流为250mA，噪音极低，完全满足课题要求。

该方法电路简单，可以单运放来实现该功能。

故采用此方案。

（3）峰峰值检测方案
方案一：用检波电路实现，通过二极管消除交流信号负半波，同时降低输出电压，然后用AD采样直流信号。

该方案在低频时容易实现，精度较高。

但在高频时，对硬件要求较高，并且精度不高，不能满足题目要求。

方案二：直接利用430内部AD实现峰峰值采样。

但信号频率高于采样频率，根据香农采样定理，采样频率必须大于信号频率的2陪，但我们只是采样峰值，不是还原波形，所以，在一定频率下，只要相位不同，即可采样到峰值。

此方案精度较高，大大简化系统电路。

故采用此方案。

2、方案描述
系统框图如图1所示，系统主要由五个模块组成：前置放大电路，中间级放大电路，后级功率放大电路，峰峰值检测电路，稳压电源电路。

系统增益为46dB，前级放大电路增益为12dB，由一级OPA820组成实现阻抗匹配，增加了
后级输入电压。

后级功率放大电路增益为6dB ，由电流反馈型运放THS3091D 提供较高的输出电压和输出电流，运放带负载较强，实现在50Ω负载上输出11V 峰峰值。

系统采用5V 单电源供电，利用TPS61087DRC 升压，为运放提供电压。

本系统实现了20Hz —10MHz 宽范围信号放大功能。

增设的峰峰值检测电路，可处理最大8MHz 频率的正弦信号，为提高这个指标，我们用软件实现。

其测量误差小于5%。

图1 系统框图
二、 理论分析计算 1、 增益分配计算
系统采用OPA820实现了前级和中间级的放大，THS3091D 作为末级放大，系统总放大倍数为200倍，电压增益为46dB ，完全满足题目要求。

当输入信号峰峰值为60mV 时，即可满足最大不失真输出电压峰峰值≥10V 的要求。

2、 带宽增益积
带宽增益积是衡量放大器性能的一个参数，这个参数表示的是增益和带宽的乘积，即V G D P A BW =⨯，根据整个系统，最大电压增益为46dB ，也就是199.5，带宽为10MHz ，故可得整个系统的最大带宽增益积为2GHz 。

3、 通频带内增益起伏控制
随着频率增高，放大器的增益会随之下降，可以通过补偿电容来添加极点，进而实现相位补偿和增益补偿，这样就可以将放大器的增益在通频带内的起伏控制在最小范围内。

4、 抑制零点漂移
零点漂移现象是输入电压为零但输出电压不为零的现象，其产生的原因是温度漂移使得半导体元器件的参数变化，致使输出电压不为零。

抑制零点漂移的方法有：
（1）利用超级伺服电路将零点漂移强制拉回零，但此方法不能放大直流信号。

（2）采用温度补偿的方法，利用热敏元件来抵消放大管的变化，但效果不明显。

（3）采用加入直流偏置调节零偏，此方法可以放大交流。

在本方案中，我们采用方法（3） 5、 放大器的稳定性
放大器的稳定性是指放大器在其带宽范围内幅频曲线的稳定性。

提高放大器的稳定性，可以采用相位提前补偿的方法，增加其零点，抵消极点来实现。

三、系统电路设计
1、前置放大电路（图2）
前置放大电路由一级OPA820构成，增益为12dB，3dB带宽为240MHz，在其同相输入端并联50Ω电阻到地，实现阻抗匹配。

图2 前级放大电路图3 中间级放大
2、中间级放大电路（图3）
中间级放大电路采用OPA820构成，增益为28dB。

3、功率放大电路（图4）
功率放大电路由电流型运放THS3091D构成，该运放需要12V
±供电，保证输出电压峰峰值大于10V。

电路增益为6dB。

峰值检测
图4 功率放大电路图5峰值检测硬件电路
4、峰峰值检测(图5)
峰值检测电可采用硬件电路，把三级放大的输出信号变为直流，同时降低幅值，使输出信号能被AD采样，设置程序对采样结果比较，送液晶显示即可。

测量最大幅值可到8MHz，误差很小。

为实现对10MHz 频率的信号采样，我们采用软件实现的方法。

图6 升压电路 图7 5V 转3.3V 电路
5、 稳压电源电路 如图6，图7，图8所示，稳压电源采用7660与TPS61087DRC 实现+5V 到5V ±和12V ±的转换。

6、硬件抗干扰措施及注意事项 （1）在线路板上多处加装退耦电容，对高频和低频干扰信号均具有很强的抑制能力。

（2）模拟地与数字地隔离。

所有的模拟地连接在一点，所有的数字地也连接在一点，然后再将模拟地与数字地连接到一起，这样做的目的是防止开关的数字干扰信号窜
到模拟电路中。

（3）选用的数字器件全部为CMOS 集成电路，噪声容限大，抗干扰能力强。

（4）焊接电路时，反馈信号所对应的第与大电流地要一点接地，否则电源负载调整率将不理想；且为了减小干扰对反馈小信号的影响，反馈线要用屏蔽线，同时，为了减小噪声影响反馈信号，反馈线上要串接电阻。

为了减小导线的功耗，焊接电路时焊锡要走的比较粗。

（5）采用系统模块化设计，并在面包板上搭接电路试验，这样可以大大提高系统设计的效率。

四、 系统软件设计
由于本系统中单片机只起AD 采样和显示作用，所以软件设计比较简单，图9所示为本系统软件流程图。

软件设计程序见附录1。

图9 系统软件设计流程图
编程感想与软件设计注意事项
（1）所有子程序用到的端口，全部用宏定义在程序顶部说明以便日后方便全局调用。

（2）适当添加注释，方便阅读。

（3）关键数据尽量定义为全局变量，因为实践发现，在非全局变量情况下，进
85V 5V -图转电路
行某些复杂运算时，数据可能发生突变，影响结果。

（4）设置合适的入口出口参量，以增加程序的重复使用性。

（5）当不需要改变整个寄存器值时，全部采取位操作，以避免对其他位的干扰。

（6）尽量把工作模式完善，以应对不同情况对工作模式的需求 五、 测试方案与测试结果 1、测试工具
信号发生器DG1022、数字示波器DS1052E ，数字万用表UT39A 2、测试方法与数据 (1) 幅频特性测试
在最大增益46dB ，in V 50m V =时，观察示波器测试信号源的频率，并记录峰值。

如表1，表2所示。

真电压峰峰值10V ≥，满足基本和发挥部分的要求。

(2) 峰峰值及有效值测试
在输出为50Ω负载上，放大器最大不失真输出电压峰峰值为11.8V ，满足基本部分要求
在最大增益46dB 下，调节正弦输入信号幅值及频率，，经MSP430控制LCD 显示，得到输出波形峰峰值（单位：V ）数据如表3所示。

有效值如表4所示。

表3 不同频率幅值下的峰峰值检测数据
表4 不同频率幅值下的有效值检测数据
范围为0.5—11V，测量误差为，小于5%满足设计发挥部分要求。

由于信号源最小输出电压为4mV，故无法在放大200倍的情况下，测0.5V峰峰值。

(3)输出噪声测试
输入交流短路，测得输出电压峰峰值较小。

(4)误差分析
我们测量的误差主要来源于电磁干扰，由于测试场地有许多电脑和仪器使用开关电源，电磁噪声很大，放大电路和峰值检测电路采用的同轴电缆屏蔽效果并不好，所以测量输入端短路的噪声电压时随输入端接方式不同而有很大误差。

并且仪表精度不够高，人为读数存在误差，测量的数据达不到理论计算值，但是我们通过多次测量取平均值，把误差降低到最小。

六、总体结论
综合上述各部分测试结果，本设计圆满完成了题目基本部分要求，并且完成了发挥部分要求，提高了输出电压幅度，各种去耦和降噪措施的综合应用保证放大器稳定工作并且降低了噪声。

如果能对输出增益进行进一步实测校正或者使用性能更好的器件，还可以进一步提高指标。

七、参考文献
[1] 康华光，陈大钦，张林.电子技术基础（模拟部分）第五版[M].高等教育出版
社,2006年1月.
[2] 孙乐凯，吴鸣山，项绮明.新型电子通用单元电路[M].电子工业出版社,2008
年6月.。