宽带直流放大器.doc

宽带直流放大器摘要：本设计采用采用TI公司芯片设计并制作了一个宽带直流放大器，要求电压增益60dB。分为四级放大：前级放大，程控/手动增益放大，增益放大和功率放大。利用AGC原理，使用VCA810压控增益放大元件与单片机MSP430程序控制配合实现电压增益AV可预置并显示，预置范围为060dB，步距为5dB（也可以连续调节）；再经过分频电路实现放大器的带宽可预置并显示。经验证，该设计完成了全部基础功能及部分扩展功能。关键词：宽带放大，压控增益放大，单片机/手动控制一、 方案论证图1-1 总体设计框图1、 总体设计方框图由于该设计属于高频信号的传输与处理，全程采用同轴电缆与BNC插头。2、 前级增益放大直接选用高增益带宽积的放大器OPA642对输入信号进行2倍的放大。3、 可控增益放大方案一：通过手动调节放大器反馈电阻阻值改变放大倍数，但增益放大范围较大且调整不够精确，不能布距调整，局限性很大但电路简单。方案二：可选用AD603压控增益放大器，但AD603增益与带宽关系不确定，增益范围太小且输出需要调整直流分量。方案三：选用VCA810高速压控增益放大器，具有25M的带宽及-40dB到+40dB的高增益范围，故采用方案三。4、 带宽预置滤波电路采用巴特沃斯滤波电路及单片机程序选择控制实现，用继电器切换手动与程控。5、 增益及功率放大电路用高压低失真电流反馈运算放大器THS309接并联输出级BUF643利用负反馈减小失调电压和失真。二、 参数分析及计算1、 带宽增益积分析与计算1) 前级放大电路采用OPA642带宽增益积为200MHz，根据公式，本设计的前级放大电路的增益放大两倍。2) 功率放大电路采用器件的基本特性，其增益，则增益带宽积约为450MHz，设计电压增益为十倍。2、 通频带内增益起伏及线性相位采用巴特沃斯滤波电路，通频带通频带增益起伏可以达到非常平缓。前置放大器的通频带增益由器件本身的优异特性决定，外部无需调整。功率放大器内部有调节频率响应的微调电容，由于本课题频率上限不是太高，一般也无需调整，相位随频率的变化呈线性化。3、 抑制直流零点漂移与放大器稳定性放大电路中为了抑制直流零点漂移，采用同相反相交替的方式输入；为了提高运算精度，在电路中加了负反馈回路，而且负反馈越深，闭环特性越好。但是在级联运放放大电路中，当工作频率较高时，它所产生的附加相移可能会使负反馈回路的开环增益下降到1以前达到180，使原来处于负反馈回路的放大器转变为不可控的正反馈状态，产生自激振荡，破坏放大器的正常工作。为了使放大器不自激，即放大器稳定的条件是：当时或时本设计的前置放大电路采取单级运放负反馈，保证了放大器在反馈条件下稳定运行。末级功率放大器运用相位补偿技术，在放大电路适当位置接入0.5P的补偿电容，调整末级主放大器的开环特性。三、 测试方案及步骤1、 前级放大电路图3-2 压控增益放大电路采用一片OPA642对输入高频小信号进行简单的正相放大，原理图如图3-1所示。图3-1 前级放大电路2、 压控增益放大电路采用单片机给VCA810的控制端-2到0V的电压信号对放大器增益进行调整，VCA810在宽频带工作模式下可以调整-40dB-40dB的增益范围，而且控制电压值与放大倍数（dB）成正比，测试时先使用可变电位器对控制电压进行调整观察放大增益，再用调制好的单片机对其进行供电，原理图如图3-2所示。3、 滤波电路采用两片OPA680对放大后信号进行5M/10M带宽预置，由于带宽预置属于外接部分，所以没有放大倍数采用跟随电路，且因使用的是巴特沃斯滤波电路，满足课题要求在3dB通频带增益起伏1dB原理图如图3-3所示。图3-3 滤波电路4、 功率放大电路一片THS3091在高电压下进行放大，用三片BUF643进行跟随电流放大，从而实现功率放大，原理图如图3-4所示。图3-4 功率放大电路5、 系统软件设计使用MSP430F5438a单片机设计软件流程图如图3-5所示。图3-5 软件流程图图3-5-2键盘中断流程图显示默认初始增益和工作状态并初始化初始化屏幕增益控制增益选择按键按下是否图3-5-1主程序流程图判断键码工作状态选择显示增益和带宽键盘中断中断返回开始按键功能四、 测试结果记录1、 输入与输出阻抗测试输入阻抗为50W；断开标准负载电阻，调整放大器的输出为20Vpp，然后接上标准50负载电阻，在全频段内输出电压为10Vpp，误差小于1%，可换算出输出阻抗为（500.5）W。2、 带宽测试给滤波电路输入Vpp=2V的高频信号，从1M开始向上增加频率，测试输出的滤波后信号并记录其通带频率特性：表4-1 5MHz通频带特性频率（Hz）1M2M3M4M5M6M7M输出电压（Vpp）2.08V2.10V2.08V1.96V1.76V1.50V1.22V频率（Hz）8M9M10M11M12M13M14M输出电压（Vpp）960mV760mV600mV480mV416mV352mV280mV表4-1 10MHz通频带特性频率（Hz）6M7M8M9M10M11M12M输出电压（Vpp）2.16V2.12V2.06V1.80V1.58V1.36V1.18V频率（Hz）13M14M15M16M17M18M19M输出电压（Vpp）980mV820mV700mV620mV500mV440mV360mV图4-1 10M/5M通频波形3、 各级输出增益测试输入阻抗为50W；断开标准负载电阻，调整放大器的输出为20Vpp，然后接上标准50负载电阻，在全频段内输出电压为10Vpp，误差小于1%，可换算出输出阻抗为（500.5）W。五、 测试结果分析由于高频信号受感染能力较强，所以对整体的电路布局要求较高，且对各种信号发生源要进行一定程度上的隔离与降温，因此VCA810的调压电路会发生自激现象，在队干扰进行了一定隔离处理后，且干扰较小的情况下有了好转。六、 设计总结本设计可以实现最大电压增益AV60dB，输入电压有效值Vi10 mV；在AV60dB时，输出端噪声电压的峰峰值VONPP0.3V；3dB通频带010MHz；在09MHz通频带内增益起伏1dB；最大输出电压正弦波有效值Vo9V，输出信号波形无明显失真；在AV60dB时，输入电压有效值在10mV30mV范围内变化，输出有效值=10V稳定不变；电压增益AV可预置并显示，预置范围为060dB，步距为5dB（也可以连续调节）；放大器的带宽可预置并显示（至少5MHz、 10MHz 两点）；降低放大器的制作成本，提高电源效率。七、 元器件清单1、 基本仪器清单20MHz普通示波器；60MHz双踪数字示波器；普通函数信号发生器；毫伏表；位数字万用表；单片机开发系统。2、 主要元器件清单MSP430f5438a单片机最小系统；OPA642宽带低失真低增益运算放大器；VCA810高增益调整范围宽带电压控制放大器；OPA680宽带电