1、全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽2010年TI杯模擬電子系統(tǒng)專題邀請賽設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目：寬帶放大器（A題）隊(duì) 號： 603086寬帶放大器摘要：以TI公司的高速寬帶運(yùn)放OPA820ID和THS3091D作為放大模塊的寬帶低噪聲放大器，使用超低功耗MCU MSP430F169處理器為測量顯示部分。該放大器主要包括前級放大、中間放大、末級放大、輸出電壓檢波電路、輸出電壓測量和顯示電路等幾部分。經(jīng)過測試，在33KHz10MHz頻段上信號增益穩(wěn)定、噪聲小，符合題目設(shè)計(jì)要求。1 設(shè)計(jì)目標(biāo)（1）采用高速運(yùn)算放大器OPA820ID作為第一級放大電路，THS3091D作為末級放大電路，利用DC-DC變換器TPS6108

2、7DRC為末級放大電路供電；（2）放大器電壓增益40dB(100倍)，并盡量減小帶內(nèi)波動(dòng)； （3）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10MHz；（4）在輸出負(fù)載上，放大器最大不失真輸出電壓峰峰值10V。（5）放大器輸入為正弦波時(shí)，可測量并數(shù)字顯示放大器輸出電壓的峰峰值和有效值，輸出電壓（峰峰值）測量范圍為0.510V，測量相對誤差盡量小于5%；2系統(tǒng)方案選擇與論證2.1 放大模塊試題要求信號的增益要大于40DB，這就要求信號的放大倍數(shù)至少為100倍，雖然OPA820ID、OPA842和THS3091D均為寬帶放大器，帶寬增益積均大于200M，考慮到多種因素，單級

3、放大倍數(shù)不能過大，系統(tǒng)采用三級放大結(jié)構(gòu)，放大倍數(shù)可以采用5×5×4或者5×4×5。2.1.1 第一級運(yùn)放電路選擇方案一：按照試題規(guī)定，第一級運(yùn)放必須選擇OPA820ID，由于系統(tǒng)供電電源為5V，可以使用單電源供電，提供2.5V偏置電壓。優(yōu)點(diǎn)為電源可以直接使用；缺點(diǎn)為由于偏置電壓的存在，信號的放大倍數(shù)將受到限制。方案二：第一級運(yùn)放OPA820ID，可以采用雙電源供電。優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，并能提升放大倍數(shù)。但是，由于系統(tǒng)供電電源為5V，5V轉(zhuǎn)正負(fù)5V電路中如果使用模擬器件將比較復(fù)雜，如果使用DC/DC芯片將會(huì)引入太多的干擾，降低信號的品質(zhì)。方案確定：經(jīng)過電路模擬

4、和實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)，雖然單電源供電電路較為復(fù)雜，但是輸出電壓的品質(zhì)較高，噪聲非常小，有利于信號的下一級放大。所以，選擇方案一。2.1.2 第二級運(yùn)放電路選擇方案一：使用OPA842，作為中間放大級。因其和820一樣為電壓反饋型，電路結(jié)構(gòu)較為相似，具有240MHz的帶寬增益積，可以作為中間放大環(huán)節(jié)。方案二：使用OPA820，作為中間放大級。電路結(jié)構(gòu)與第一級基本相同，差異為調(diào)整放大倍數(shù)小于25，具有200MHz的帶寬增益積，可以作為中間放大環(huán)節(jié)。方案確定：由于制作時(shí)間限制，第一級運(yùn)放電路已成熟，因此，本設(shè)計(jì)采用的二種方案。2.1.3 末級運(yùn)放電路選擇方案一：按照試題規(guī)定，末級運(yùn)放必須選擇THS3091

5、D，由于系統(tǒng)供電電源為5V，所以必須使用DC/DC芯片TPS61087DRC升壓后，為THS3091D供電。所以只能選擇單電源15V供電，并提供7.5V偏置電壓。優(yōu)點(diǎn)為電源可以比較容易得到；缺點(diǎn)為由于偏置電壓的存在，信號的放大倍數(shù)將受到限制。方案二：末級運(yùn)放THS3091D，可以采用雙電源供電。優(yōu)點(diǎn)是能提升放大倍數(shù)。但是，由于供電電源為15V，單電源轉(zhuǎn)正負(fù)5V電路中如果使用模擬器件將比較復(fù)雜，如果使用DC/DC芯片將會(huì)引入太多的干擾，降低信號的品質(zhì)。方案確定：因單電源供電電路較為簡單，減小放大倍數(shù)可以提高輸出電壓的品質(zhì)較高，減小噪聲。所以，選擇方案一。2.2 檢波電路因檢波器的輸入調(diào)幅信號幅度

6、較大（大于0.5V），所以，為大信號檢波。其特點(diǎn)是二極管運(yùn)用在伏安特性曲線的線性部分，雖然輸入調(diào)幅信號的幅度較大，但在整個(gè)周期內(nèi)二極管不總是導(dǎo)通的。2.3 AD采樣電路AD采樣通過TI的低功耗單片機(jī)MSP430F169使用其自帶的ADC通道，完成電壓峰值的檢測。2.4顯示電路通過TI的低功耗單片機(jī)MSP430F169將采集的到的電壓信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換，在LCD1602上實(shí)時(shí)顯示。3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1 硬件設(shè)計(jì)以低功耗單片機(jī)MSP430為主控器件、分為前級放大、增益控制、功率放大、峰峰值檢測等模塊，本課題采用高速運(yùn)算放大器OPA820ID作為前級和中間放大電路，利用THS3091D作為末級功率放大電路

7、。為了顯示輸出電流的峰峰值和有效值，使用高速寬帶運(yùn)放THS3091D跟隨后進(jìn)行峰峰值檢測，得到輸出信號的峰值，通過TI的低功耗單片機(jī)MSP430F169使用其自帶的ADC通道，完成電壓峰值的檢測，并在LCD1602上實(shí)時(shí)顯示。圖1系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖3.1 軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的程序較為簡單，通過MCU的P6.3口檢測檢波輸出電壓值，經(jīng)過峰值轉(zhuǎn)換有效值和峰峰值。并顯示在1602上。圖2系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖4 系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)4.1 電源模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用的直流電源為5V，直接供給單片機(jī)、第一級、中間級放大器和DC/DC芯片。末級使用DC/穩(wěn)壓后的15V電壓，如果直接使用15V電源為末級放大器供電，在帶負(fù)載時(shí)，

8、會(huì)出現(xiàn)電壓跌落。圖3 升壓電源硬件原理42 放大模塊參數(shù)選擇為了更好的選擇運(yùn)放的參數(shù)，在結(jié)合數(shù)據(jù)手冊中的應(yīng)用實(shí)例的前提下，使用TINA-TI的模擬電路仿真軟件對整個(gè)放大回路做了一個(gè)比較細(xì)致的仿真，以便于為實(shí)際電路的參數(shù)提供參考。仿真電路的原理圖如下：圖4 系統(tǒng)仿真原理圖50mV信號放大倍數(shù)的曲線如下圖所示：圖5 TINA的仿真結(jié)果曲線4.3第一級放大器電路設(shè)計(jì)使用TL431為第一級和第二級OPA820運(yùn)放提供穩(wěn)定的2.5V工作點(diǎn)。放大倍數(shù)約為6.6倍。圖6 第一級放大器電路44 第二級放大器電路設(shè)計(jì)第二級的反饋電阻為560歐，增益電阻為220歐，實(shí)測增益約為3.6.圖7 第二級放大器電路4.5

9、末級放大器電路設(shè)計(jì)這里使用7.5V穩(wěn)壓管，為3091提供偏置工作點(diǎn)。反饋電阻的實(shí)測值為3.11K，增益電阻阻值為0.989歐，實(shí)測增益約為4.1。此時(shí)，運(yùn)放的總增益為6.6×3.6×4.1約為98.信號輸出穩(wěn)定。圖8 末級放大器電路4.6 檢波電路設(shè)計(jì)檢波電路采用采用點(diǎn)接觸型鍺二極管2AP系列，檢測頻率可達(dá)1GHz，自身的管壓降小于0.1V。能夠盡可能準(zhǔn)確的檢測到輸出電壓的峰值。圖9 檢波電路4.7 MCU的系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)里采用P6.3的A3通道作為輸出信號的采樣通道。圖10 MCU原理圖4.8 顯示部分顯示部分采用的是1602字符液晶，16x02即32個(gè)字符，1602液晶

10、模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，通過發(fā)送命令和發(fā)送所需要顯示字符的代碼，即可獲得所需顯示的字符。能夠?qū)崟r(shí)顯示輸出信號的峰峰值和有效值。5 測試結(jié)果分析5.1 測試裝置與儀器1. F10型函數(shù)信號發(fā)生器2. 正5v電源3. 雙蹤示波器5.2 測試結(jié)果與分析從20Hz開始，輸入信號為110mV，逐次升高頻率，發(fā)現(xiàn)在20Hz20KHz，由于耦合電容值偏小，導(dǎo)致信號衰減過大，輸出的電壓幅值偏小，經(jīng)過在各級運(yùn)放之間增加耦合電容，為低頻信號提供通路，輸出有所改善。在

11、較高頻率段，由于信號源自身的衰減，使輸出電壓幅值略有下降，通過實(shí)際輸入和輸出信號的測量計(jì)算，仍保持固定的增益。在衰減-3DB的條件下可達(dá)到15MHz。下圖為10MHz條件下的輸入信號、輸出信號的波形如下表所示：5.3 主要器件清單種類名稱及規(guī)格數(shù)量OPA8202THS39011TL4311TPS610871電感6.8uH1肖特基二極管SL2215.4 設(shè)計(jì)實(shí)物6 設(shè)計(jì)總結(jié)使用高速寬帶運(yùn)放OPA820ID和THS3091D作為放大模塊的寬帶低噪聲放大器，實(shí)現(xiàn)了將小信號放大100倍的目的，高通頻帶在22K11MHz上可以輸出峰峰10V以上，較好滿足了基本功能的要求。使用超低功耗MCU MSP430F169處理器為測量輸出電壓并顯示，充分的發(fā)揮了擴(kuò)展功能，符合設(shè)計(jì)要求。但是由于對于低頻部分準(zhǔn)備的不足，導(dǎo)致系統(tǒng)在20KHz以下的頻段，響應(yīng)特性不太理想。參考文獻(xiàn)【1】張毅坤、陳善久、裘雪紅編著. 單