2015年全国电子设计大赛放大器报告

1摘要：该设计通过前置放大，程控放大和后级放大三级放大能将130M的高频小信号放大52dB以上。信号先通过LMH5401进行前级差动放大，再利用单片机MSP430f5529与数模转换器DAC7571控制VCA821实现程控增益放大，末级通过高速宽带运放THS4303输出以驱动50Ω的负载，实现输出电压有效值大于2V。关键词：射频放大器程控放大MSP430F5529VCA8212一、系统方案论证1、前置放大器模块的论证与选择方案一用TI芯片OPA847搭建同相放大电路。OPA847有很宽的带宽，可以满足本题目所要求的宽带增益放大。但是OPA847的圧摆率不够高，可能会导致输出信号的失真。方案二用THS4303做前级放大，THS4303的圧摆率能达到5500V/μ且它的带宽高，能较好的对高频小信号进行放大。但THS4303是增益固定为10V/V的放大器，增益固定不可调。考虑到整体电路的增益分配10V/V的增益不符合我们所需的前级放大倍数。方案三用差分放大器LMH5401做前置放大模块，LMH5401的圧摆和带宽均能达到要求，有低噪声低功耗的特点，同时它在SE-DE或差分到差分(DE-DE)模式下工作时产生的二次谐波和三次谐波失真非常低。所以用它来做前置放大效果很好。综上选择方案三。2、电源模块的论证与选择方案一用稳压芯片TPS7350，TPS7325及TPS72325结合，将12V的直流电源转换得到所需电压。TPS7350，TPS7325，TP72325均是低压稳压芯片，它们分别可提供+5V，2.5V和-2.5V的固定电压输出，但这种方案不能得到-5V的电压输出，不能对放大器进行+5V供电。方案二用放大器芯片OPA847与稳压芯片TPS7350，TPS7325相结合,得到多种输出电压，这种方法芯片较多，电路较复杂，但可得到所需的电压，且提高了电源效率。所以选择方案二。3、程控模块的论证与选择3方案一用可变增益放大器LMH6401与单片机相结合来控制增益变化。LMH6401是一款步长为1dB的差分数字可变增益放大器，可用SPI通信接口控制其增益变化。但LMH6401的增益范围为-6dB至24dB，单片LMH6401不能满足本题中增益范围为12~40dB的要求，需要两片串联使用，但LMH6401的价格较为昂贵所以此方案成本较高。方案二用压控增益芯片VCA821与单片机结合控制增益变化。VCA821是一款有较高的圧摆率和带宽的dB线性可变增益放大器。用单片机的DAC控制VCA821的引脚电压改变来控制整体增益，且其最大增益可通过设置电阻值来设定，所以可满足本题中40dB线性增益的变化。综上选择方案二。4、后级放大此处我们用THS4303搭建固定增益放大电路做后级放大。THS4303是固定增益为10的放大器，它还具有圧摆率高，频带宽的特点。尤其是10V/V的固定增益使得整体电路较为稳定，适合作为后级放大。5滤波模块方案一用电容器和电感搭建无源的高通滤波器。此种方法元器件较少成本低，电路结构简单，且对谐波的抑制效果较好。但是此种方法电能损耗大而且在射频情况下滤波器受系统参数影响较大，可能会造成系统工作不稳定。方案二用OPA847放大器搭建有源高通滤波器。用OPA847与电容和电阻一起构成二阶有源高通滤波器，与无源滤波相比它有更好的可控性和快速响应的特点，且它的滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除在射频情况下与系统阻抗发生谐振的危险。综上选择方案二。二、理论分析与计算41、射频放大器的设计放大器的增益分析：VCA821是一款压控dB线性增益放大器，其增益范围可根具电路自行设定。如图一所示，其中增益范围由RF和RG的比值所决定，如下式：Rg2GRf此处设定其最大增益为32dB，经计算可取RF=200Ω，RG=12.5Ω，则当Vg的电压在0~2V之间变化时，其增益在小于—20dB~32dB间线性变化。图1程控放大电路根据题目知放大器的电压增益AV≥52dB,增益控制范围为12dB～40dB。则电路中的其余电压增益至少应大于20dB,考虑到实际电路中的增益损耗此值应该偏大。因为VCA821的输出电压过大会产生失真，所以不能将所有增益均加到前级。所以可采用如下增益分配：前级放大采用LMH5401所构成的差分放大电路，放大倍数为8V/V(18.06dB)，后级放大采用固定增益为10V/V（20dB）的THS4303所构成的放大电路。则前级和后级所组成的总增益为80V/V(38.06dB)能在所有5芯片的输出电压范围内达到所要求的放大倍数。2、频带内增益起伏控制通频带定义：在信号传输系统中，系统输出信号从最大值衰减3dB的信号频率为截止频率，上下截止频率之间的频带称为通频带，用BW表示。通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。下限截止频率fL：在信号频率下降到一定程度时，放大倍数的数值明显下降，使放大倍数的数值等于0.707倍的频率称为下限截止频率fL。上限截止频率fH：信号频率上升到一定程度时，放大倍数的数值也将下降，使放大倍数的数值等于0.707倍的频率称为上限截止频率fH。通频带fbw：fbw＝fH－fL。此处为达到题目要求在50MHz～160MHz频率范围内增益波动不大于2dB。3、射频放大器的稳定性放大器的稳定性受许多因素的影响，如零点漂移，自激振荡，电源纹波，PCB布局布线不当等都会影响放大器工作的稳定。零点漂移：零点漂移是指当放大电路输入信号为零时，放大器工作时会发热，使其工作温度变化。由于受温度变化，电源电压不稳等因素的影响，使静态工作点发生变化，并被逐级放大和传输，导致电路输出端电压偏离原固定值而上下漂动的现象。显然，放大电路级数愈多、放大倍数愈大，输出端的漂移现象愈严重。严重时，有可能使输入的微弱信号湮没在漂移之中，无法分辩，从而达不到预期的传输效果。为了抑制零点漂移我们在此选用差动放大器LMH540和VCA821来构成差动放大电路，此种方法能较好的抑制零点漂移。自激振荡：自激振荡是指不外加激励信号而自行产生的恒稳和持续的振荡。如果在放大器的输入端不加输入信号，输出端仍有一定的幅值和频率的输出信号，这种现象就是自激振荡。6为了消除这一现象，采用频率补偿的方法，在放大器的反馈电阻处并接一较小的电容。电源纹波：在高频小信号放大中电源纹波会影响信号的稳定，此时在电源处并接一个22pf的瓷片电容和一个6.8μf的电解电容可大大减少电源纹波。PCB制作：芯片工作在高频时对PCB的走线要求较高，为了减少因PCB布局不当对信号造成的影响，在布局走线时尽量按照芯片手册上PCB走线，使其对信号的干扰最小。4、增益调整本题中要求增益控制范围为12dB～40dB，增益控制步长为4dB。因为系统是通过VCA821来改变增益，VCA821的控制端电压从0~2V变化时，放大器的增益也线性变化，此处是从-20dB~33dB线性变化。要达到步长为4dB只要通过单片机的DAC输出相应电压值至VCA821的电压端，从而使得系统增益步进变化。三、电路与程序设计系统的整体框图如下所示：图2系统整体框图系统采用单片机MSP4303F5529为核心。输入信号经过前级放大，压控放大和后级放大能实现大于52dB的增益放大。通过触摸屏可步进增加增益，同时7显示当前增益，单片机根据设定的增益经D/A转换器调整VCA821控制脚的电压实现整体电压增益的步进变化。1、电源模块设计由于系统所用放大器芯片所需电源种类有+5V、+2.5V所以用放大器芯片OPA847与稳压芯片TPS7350，TPS7325相结合可得多种输出，电路图如下所示。图3电源模块电路1、前置放大电路的设计前置放大采用差模放大的LMH5401，单通道输入，双通道输出，每通道放大4倍。查询芯片手册得出当放大倍数为8的时候各电阻的阻值如下：8图4前置放大电路2、程控放大电路采用压控增益放大芯片VCA821来设计程控电路，通过单片机控制DAC控制引脚电压在0~2V变化从而实现增益的线性变化。图5程控放大电路93、高通滤波电路用OPA847来搭建20M的高通滤波器，以保证当输入信号频率f≤20MHz或输入信号频率f≥270MHz时，实测电压增益AV均不大于20dB。图6高通滤波电路4、后级放大电路后级放大电路用固定增益为10V/V的放大器THS4303，THS4303有宽频带，高压摆，输出电流高的特点，适合于做输出放大。10图7后级放大电路二、程序设计利用单片机MSP430F5529控制DAC的输出电压来控制放大器增益的改变，同时液晶屏显示增益。单片机的工作流程如下，当单片机上电，初始化屏幕显示，没有触摸屏幕时进入低功耗模式。当检测到屏幕触摸，触发中断，打开中断，读取触摸位置，判断触摸的是加还是减。之后进行相应处理。图8软件流程四、测试方案与测试结果1、测试设备环境序号名称、型号、规格数量1DS2202A-S双通道示波器12TPR3005T-3C线性直流稳压电源13DY2106数字万用表14Agilent信号发生器1112、测试方法和结果1、放大器频率特性测量测量方法：输入电压有效值为20mv的正弦小信号，将增益调到最大，在输出信号无明显失真的条件下逐渐增大其频率，并记录其输出电压值，求出在该频率点下的电压增益。输入频率（MHZ）105070100输出(V)2.972.983.23.16放大倍数(dB)43.543.544.043.97输入频率（MHZ）120130160180输出(V)3.153.112.842.69放大倍数(dB)43.9743.9643.042.6综上，最大增益约为43.8dB。2、频带内增益起伏控制测量方法：输入电压有效值为20mv的正弦小信号，在频率75MHZ~108MHZ时，固定一个增益值，在该频段内频率连续变化，观察并记录在该过程中的Vpp值最大和Vpp值最小点处的增益值，求其差值看是否小于2dB。固定增益值(dB)10203040平均值最大增益(dB)11.620.431.443.9最小增益(dB)9.820.129.842.0增益差值(dB)1.80.31.61.91.4在75MHZ~108MHZ内频带增益起伏为1.4dB,满足基本要求。4、-3dB通频带测量测量方法：输入电压有效值为20mv的正弦小信号，固定一个增益值，调节频率，观察并记录在该过程中当增益下降3dB时的上限和下限频率，多次改变增12益值。最后看是否满足题目所规定的上下限频率。固定增益值(dB)10203040Fl(MHZ)52657687Fh(MHZ)120117110100由表可知当电压增益较小时，可满足通频带要求，但随着频率升高，下限频率逐渐升高，不能满足要求。5、增益步进控制测量测量方法：输入一个有效值为20mV的小信号，固定一个频率，让增益步进从最小增加到最大，测量输出电压的增益，改变频率继续测量。预置增益(dB)-12203040实际增益(dB)-52027.843.4由表格知，当步进为4dB时不能完全线性变化，但是预置的增益和实际增益还是较为接近。4、电路的衰减特性测量方法：输入一个电压有效值为5mv的正弦小信号，将其电压增益调到52dB以上，将频率分别调到20MHZ和270MHZ附近时，观察并记录其电压增益Av。F(MHZ)Av(dB)由于我们的放大器增益不能达到52dB以上，所以该部分无法测量。三、测量结果分析由以上测量结果可知该放大器能够基本达到基本要求的增益放大倍数，和在75MHz～108MHz频率范围内增益波动不大于2dB部分的指标，但由于电路制作匆忙，同时VCA821本身的特性问题使得其不能完全达到题目要求。