宽带放大器

2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛宽带放大器（A题）

队伍编号：025211

参赛学校：南京师范大学

参赛学生：杨昊吕晨阳张沁枫指导教师：王兴和孙航嘉

2010年8月26日

宽带放大器（A题）

摘要：本作品由前置放大、中级放大、末级功率驱动、峰值检测、电源管理及人机界面这些模块所组成，具有宽带数字程控和AGC功能，整个系统以5V 单电源工作。在前级放大电路中，用单位增益稳定宽带反馈型放大器OPA820和宽带压控放大器VCA810放大输入信号，在电压放大一定的倍数后，经过末级THS3091驱动50Ω的负载。VCA810的使用方便了调整增益，THS3091的使用提高了驱动电路带负载的能力。应用MSP430对增益进行预置和控制，稳定性好，可控范围大。电路设计综合应用了电容去耦、滤波、使用屏蔽线传输信号等抗干扰措施以减少放大器的噪声并抑制高频自激。经验证，本方案完成了全部基本功能和发挥功能。

关键词：宽带放大峰值检测 AGC

1系统方案

1.1方案比较与选择

1.1.1增益放大电路的方案

方案一：使用分立的三极管等元件搭建输入缓冲电路和增益放大的电路。优点是成本低廉，易于购置。为了满足固定增益40dB的要求，可以采用多级放大电路实现。但时是大量采用分立元件比较容易在高频时产生自激振荡，可能会增加电路的调试时间，同时短时间内手工制作难以保证可靠性及指标。

方案二：使用OPA820作为阻抗匹配和前置放大器，中间级用VCA810动态调节增益。此方案电路简单，可靠性高。VCA运放的压控放大特性更增加了整个电路的可控动态范围至-20dB-60dB，既可以方便的做进一步的幅值微调和增益提高；也可以配合测量的峰值形成AGC电路。

综上，我们采用方案二，设计简洁高效灵活稳定的放大电路。

1.1.2功率输出电路的方案

方案一：使用功率三极管和普通的运放组成升压输出复合放大器，这种电路可以将运放的标称摆幅扩展的更大，同时将负载驱动提升到100mA以上。优点是摆幅可以很大，缺点是调整不慎会有失真。

方案二：THS3091D作为末级功率放大电路。THS3091D的各项指标均满足题目的要求，只需一个运放就能满足功率输出要求，并且电路稳定可靠。

综上，我们选择THS3091作为末级功放。

1.1.3测量输出峰值和有效值的方案

方案一：热电偶测量法。热电偶测量法是根据交流有效值的物理定义来实现测量的，利用热电偶电路平衡原理通过两端的电势比较得到有效值。但热电偶转换是非线性的且热电偶配对较难、响应速度慢、过载能力差。

方案二：使用RMS转DC集成芯片，如AD637。其优点是集成度高，使用方便，缺点是按照说明手册所言其最大的带宽仅为8MHz，不能满足10MHz正

弦波幅值检测的要求。

方案三：使用高速的ADC 采集信号然后送单片机处理。以等效采样的方式送MSP430处理。但是全功率带宽大于10MHz 且精度满足要求的ADC 价格高，位数低的ADC 其精度又不够理想。

方案四：使用峰值检测器。合理选择漏电流低的二极管和电容，并配合相应带宽的运放，构成一个实用又精确的检波电路。电容量的选择决定了带宽限制。

综上我们选择方案四，同时利用AD637测量低频信号的有效值。

1.1.4 电源管理的方案

方案一：使用线性稳压器件。线性稳压电源。其中包括并联型和串联型两种结构。并联型电路复杂，效率低，仅用于对调整速率和精度要求较高的场合；串联型电路比较简单，效率稍高，虽然方便可靠，但还是满足不了高效率的要求。而且线性稳压器件无法升压和产生负压，满足不了题目的要求。

方案二：使用TPS61087升压，然后用开关型负压转换器将升压后的正压转成负压使系统在双电源的情况下工作，以取得最大性能。此方案效率高，能以单电源供电，且集成开关稳压芯片应用方便。

综上所述，我们采用方案二。

1.2 方案描述

如图 1所示，本放大器由前置放大、中级放大、末级功率驱动、峰值检测、电源管理及人机界面这些模块所组成。

本方案全部以TI 的相关芯片作为电路的核心。它们包括运算放大器类的OPA820，VCA810，THS3091；数据转换器类的DAC8043，TLC2543；电源管理类的TPS61087；MCU 类的MSP430。

OPA820ID 前置放大

VCA810 压控放大

THS3091D 峰值检测

负压转换器

50Ω功率负载图 1. 系统框图

2理论分析与计算

2.1带宽增益积

带宽增益积(GBP)是这是用来简单衡量放大器的性能的一个参数，这个参数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大于等于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：

单个放大器很难达到1G，所以我们考虑多级放大器级联。查阅手册，OPA820 的GBP 为280M，级联上后级的VCA810和THS3091，足以达到题目要求。

2.2带内平坦度控制与噪声的降低

本设计中，要求尽量减小带内波动，我们采用了两种方法：一、合理的选择器件，选择带宽增益积较大的器件如VCA810来作为中间级放大调理的器件，控制VCA810增益值的DAC参考输入选用基准源电压；二、对于电流反馈型运放，通过合理选择反馈电阻Rf的取值，在0 ~ 10MHz 内提供较好的信号保真度。这可以参看数据手册的相关说明。

本设计要求尽可能降低放大器的输出噪声，我们采取的方案有：

（1）放大器板上所有运放电源线及数字信号线均加电容滤波。安装时尽量靠近IC电源和地的引脚以减小引线的电感对滤波的不利影响。

（2）所有信号耦合为直流耦合，串联50Ω电阻减小阻抗不连续。

（3）需要在板与板之间传输高频模拟信号时用同轴电缆。信号输入输出使用BNC接头连接以使传输阻抗匹配，并可减少空间电磁波对本电路的干扰。

（4）数字电路部分和模拟电路部分的电源和地严格分开。

2.3峰值的检测与AGC

峰值检测器的作用是提取输入的峰值，并产生输出V o=Vi（peak）。

图 2. 峰值检波仿真图电容101，102高频用101