低频低噪声高增益放大器

低

频

低

噪

声

高

增

益

放

大

器——设计与报告总结

2012年7月15日

目录：

一．方案设计与论证

A.题目要求和指标分析

B.信号源部分

C.前级放大部分

D.滤波器部分

E.压控放大模块

F.功率放大模块

G.负反馈放大模块

二．电路设计

A.整体电路设计

B.信号源部分

C.前级放大部分

D.滤波器部分

E.压控放大部分

F.功率放大部分

G.负反馈部分

三．测试方法与测试结果

a.仿真部分

b.实测部分

本次设计是以vca810，op07，tda2030，msp430为核心器件的低频低噪声放大器。带宽为3kHz~5kHz,电压放大系数可达200~2000倍，

能保证波形不失真，噪声系数小，性能良好。信号由自制正弦波振荡器产生，经过前级放大，再经vca810进行压控放大，而后经过3阶有源切比雪夫带通滤波器，最后经过tda2030为核心的功率放大器，输出给负载。而由Msp430单片机进行AD采样和DA输出，实现负反馈。设计方案具有放大倍数高，预置步长小，低噪声，数字显示精度高等特点，达到了设计要求，切实可行。

一．方案论证

1.题目要求和指标分析

根据题目要求，设计方案应该实现电压放大，预置步进，数字显示，并且信号的通频带要在3kHz~5kHz,低噪声。综合各项设计指标，将该系统设计为以下模块：信号发生模块，前级放大模块，步进放大模块，滤波器模块，功率放大模块，反馈模块；

具体设计框图如下：

2. 信号源部分

方案1：以为LM358为核心的正弦波振荡器，优点是元器件少，成本低，稳定性好，失真度小，幅度频率可调，常用于音频电路。

方案2：采用555芯片设计，由555定时器所构成的多谐振荡器产生方波，方波经过积分电路产生三角波，三角波再经过差分放大电路的非线性转换产生正弦波。设计过程较繁琐。

方案3：采用ICL8038芯片设计，该芯片是专用的函数发生芯片，波形原理上和555类似，集成度高，能够很好的实现波形的产生，且稳定度高，失真低，但成本较高。

充分考虑成本，设计难易，以及设计要求等指标，选择方案1；

3. 前级放大部分

方案1：利用低噪声运放OP37搭建的同相放大器，元件少，放大效果明显，原理简单，是目前最为常见的放大模块。缺点是带宽有限，不适合高频。

方案2：利用BJT管搭建的放大器，运算过程较方案一较繁琐，精确度没方案1高，成本高，适合高频；

根据题目的设计指标，选择方案1；

4. 压控方案放大模块

方案1：采用压控放大芯片VCA810和DA芯片TLV5638配合。引入噪声小，设计方便，放大倍数调节方便，步进小，但

成本较高。

方案2：使用低噪声运放OP37为主体，用多个反馈电阻，并用继电器选择步进。元器件多，设计复杂，引入噪声大，但

成本较低。

根据题目的设计指标，选择方案1；

5. 滤波器部分

方案1：LC窄带带通滤波器。比较适合高频，对输入输出的阻抗有较大的要求，设计原理简单，精确度较高，缺点是电感,电容的匹配较难。

方案2：有源窄带带通滤波器。适合10KHz以下的信号，精确度很高，过渡带小，衰减快，电路设计较方案1 稍繁琐。

根据题目的要求及精确度方面的考虑，选择方案2；

6. 功率放大模块

方案1：使用BJT管搭建，波形失真度小，噪声低，功率放大效率高，原理简单，但对BJT管的选择有较大的要求，计算较繁琐，元器件使用较多。

方案2：使用集成功率放大芯片，对芯片的要求高，要求芯片噪声低，放大效果明显。

考虑到噪声，放大倍数等因素，采样方案2；

7. 负反馈模块

主要采用单片机MSP430对输入输出信号进过一定比例分压后进行AD采样，通过DA控制vca810进行压控放大，实现精密控制放大倍数，预置步进等，同时单片机实现数字显示，要求单片机运行速度快；

二．电路设计

1.整体电路设计

考虑到此次设计对噪声的要求很高，所以本次设计采用PCB制板，元件安装近，布线简洁，集成电路主要退耦，尽最大的可能把噪声降到最小。信号源由lm358为核心的正弦振动器产生，经过前级放大后由vca810进行压控放大实现精密控制，再经过由3个op07组成的3阶有源带通滤波器，最后通过tda2030为核心的功放电路，输出给负载，由msp430控制AD和DA功能，实现反馈，具体电路如下：

2.信号源部分：

3.前级放大部分：

电路设计如下：

同相输入，要求放大倍数为10倍，而Vout = (1+R4/R3)Vin，所以选择R4 为9K，R3 为1K，为降低噪声，运放选择噪声系数较低的op37，正负电源连接运放时，做退耦处理。

4. 滤波器设计

运放采用op07，因为噪声小，带宽适宜。因为要求通频带为3kHz~5kHz,上下截止频率小于1倍，所以滤波器采用窄带滤波器设计，根据设计要求，我们选择的3阶0.25dB等波纹切比雪夫滤波器，考虑到元件的精度，所以采用MFBP电路，实现谐振频率的精确可调，具体的电路设计如下：

参数计算如下：

几何中心频率为：√（3*5） = 3.873kHz；

Q bp = f0/BW3db = 1.9365

3阶0.25dB等纹波切比雪夫的极点如下：

要求增益为1，所以计算各阶的参数如下：

选择合适的参数，计算各节的参数为：

第一节：R2 = 670K，R1a = 110K, R1b = 4.1K,C = 0.001uF

第二节：R2 = 430K，R1a = 38K, R1b = 2.3K,C = 0.001uF 第三节：R2 = 28K，R1a = 13K, R1b = 684 ,C = 0.01uF

考虑到电阻精度为5%，所以把控制频率的R1b参数控制成可调，