1、全國大學生電子設計競賽2010年TI杯模擬電子系統專題邀請賽設計報告 題 目：寬帶放大器（A題）隊 號： 603086寬帶放大器摘要：以TI公司的高速寬帶運放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。經過測試，在33KHz10MHz頻段上信號增益穩定、噪聲小，符合題目設計要求。1 設計目標（1）采用高速運算放大器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)，并盡量減小帶內波動； （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，可測量并數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、放大倍數不能過大，系統采用三級放大結構，放大倍數可以采用5×5×4或者5×4×5。2.1.1 第一級運放電路選擇方案一：按照試題規定，第一級運放必須選擇OPA820ID，由于系統供電電源為5V，可以使用單電源供電，提供2.5V偏置電壓。優點為電源可以直接使用；缺點為由于偏置電壓的存在，信號的放大倍數將受到限制。方案二：第一級運放OPA820ID，可以采用雙電源供電。優點是電路簡單，并能提升放大倍數。但是，由于系統供電電源為5V，5V轉正負5V電路中如果使用模擬器件將比較復雜，如果使用DC/DC芯片將會引入太多的干擾，降低信號的品質。方案確定：經過電路模擬

4、和實際測試發現，雖然單電源供電電路較為復雜，但是輸出電壓的品質較高，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，電路結構較為相似，具有240MHz的帶寬增益積，可以作為中間放大環節。方案二：使用OPA820，作為中間放大級。電路結構與第一級基本相同，差異為調整放大倍數小于25，具有200MHz的帶寬增益積，可以作為中間放大環節。方案確定：由于制作時間限制，第一級運放電路已成熟，因此，本設計采用的二種方案。2.1.3 末級運放電路選擇方案一：按照試題規定，末級運放必須選擇THS3091

5、D，由于系統供電電源為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。優點為電源可以比較容易得到；缺點為由于偏置電壓的存在，信號的放大倍數將受到限制。方案二：末級運放THS3091D，可以采用雙電源供電。優點是能提升放大倍數。但是，由于供電電源為15V，單電源轉正負5V電路中如果使用模擬器件將比較復雜，如果使用DC/DC芯片將會引入太多的干擾，降低信號的品質。方案確定：因單電源供電電路較為簡單，減小放大倍數可以提高輸出電壓的品質較高，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幅信號幅度

6、較大（大于0.5V），所以，為大信號檢波。其特點是二極管運用在伏安特性曲線的線性部分，雖然輸入調幅信號的幅度較大，但在整個周期內二極管不總是導通的。2.3 AD采樣電路AD采樣通過TI的低功耗單片機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MSP430F169將采集的到的電壓信號經過轉換，在LCD1602上實時顯示。3系統總體設計3.1 硬件設計以低功耗單片機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，使用高速寬帶運放THS3091D跟隨后進行峰峰值檢測，得到輸出信號的峰值，通過TI的低功耗單片機MSP430F169使用其自帶的ADC通道，完成電壓峰值的檢測，并在LCD1602上實時顯示。圖1系統硬件實現框圖3.1 軟件設計本系統的程序較為簡單，通過MCU的P6.3口檢測檢波輸出電壓值，經過峰值轉換有效值和峰峰值。并顯示在1602上。圖2系統硬件實現框圖4 系統單元電路設計4.1 電源模塊設計系統使用的直流電源為5V，直接供給單片機、第一級、中間級放大器和DC/DC芯片。末級使用DC/穩壓后的15V電壓，如果直接使用15V電源為末級放大器供電，在帶負載時，

8、會出現電壓跌落。圖3 升壓電源硬件原理42 放大模塊參數選擇為了更好的選擇運放的參數，在結合數據手冊中的應用實例的前提下，使用TINA-TI的模擬電路仿真軟件對整個放大回路做了一個比較細致的仿真，以便于為實際電路的參數提供參考。仿真電路的原理圖如下：圖4 系統仿真原理圖50mV信號放大倍數的曲線如下圖所示：圖5 TINA的仿真結果曲線4.3第一級放大器電路設計使用TL431為第一級和第二級OPA820運放提供穩定的2.5V工作點。放大倍數約為6.6倍。圖6 第一級放大器電路44 第二級放大器電路設計第二級的反饋電阻為560歐，增益電阻為220歐，實測增益約為3.6.圖7 第二級放大器電路4.5

9、末級放大器電路設計這里使用7.5V穩壓管，為3091提供偏置工作點。反饋電阻的實測值為3.11K，增益電阻阻值為0.989歐，實測增益約為4.1。此時，運放的總增益為6.6×3.6×4.1約為98.信號輸出穩定。圖8 末級放大器電路4.6 檢波電路設計檢波電路采用采用點接觸型鍺二極管2AP系列，檢測頻率可達1GHz，自身的管壓降小于0.1V。能夠盡可能準確的檢測到輸出電壓的峰值。圖9 檢波電路4.7 MCU的系統原理圖系統里采用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個字符，1602液晶

10、模塊內部的字符發生存儲器（CGROM)已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，通過發送命令和發送所需要顯示字符的代碼，即可獲得所需顯示的字符。能夠實時顯示輸出信號的峰峰值和有效值。5 測試結果分析5.1 測試裝置與儀器1. F10型函數信號發生器2. 正5v電源3. 雙蹤示波器5.2 測試結果與分析從20Hz開始，輸入信號為110mV，逐次升高頻率，發現在20Hz20KHz，由于耦合電容值偏小，導致信號衰減過大，輸出的電壓幅值偏小，經過在各級運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，通過實際輸入和輸出信號的測量計算，仍保持固定的增益。在衰減-3DB的條件下可達到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格數量OPA8202THS39011TL4311TPS610871電感6.8uH1肖特基二極管SL2215.4 設計實物6 設計總結使用高速寬帶運放OPA820ID和THS3091D作為放大模塊的寬帶低噪聲放大器，實現了將小信號放大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，充分的發揮了擴展功能，符合設計要求。但是由于對于低頻部分準備的不足，導致系統在20KHz以下的頻段，響應特性不太理想。參考文獻【1】張毅坤、陳善久、裘雪紅編著. 單