宽带放大器毕业论文

宽带放大器（A题）摘要：本系统以TI公司的低噪声电压反馈运算放大器OPA820ID作为第一级放大电路，输出放大一定倍数的电压，再经过末级电流反馈运算放大器THS3091D放大，使放大器在输出负载上最大不失真输出电压峰峰值≥10V。利用DC-DC变换器TPS61087DRC为系统供电。系统主要由直流稳压源，前级放大电路，功率放大模块，显示模块。放大部分采用单面的PCB板贴片元件焊接综合应用了电容去耦、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，设计完成了一个5v单电源供电的宽带低噪声放大器。关键词：单电源；宽带放大器；DC-DC变换器；一、引言宽带放大器是指工作频率上限与下限之比远大于1的放大电路，这类电路主要用于放大视频信号、脉冲信号或射频信号。常用于电视图像信号放大的视频放大器是一种典型的基带型宽带放大器，所放大的信号的频率范围可以从几赫或几十赫的低频直到几兆赫或几十兆赫的高频。这类放大器通常以电阻器为放大器的负载，以电容器作级间耦合。二、系统总体方案设计2.1系统总体方框图由于信号频率较高，增益范围较大，所以本设计中的放大器采用三级放大的形式，对增益进行合理的分配，使放大器达到稳定的工作状态。本系统主要由5v直流电源模块，前级放大模块，中间级放大模块，末级放大模块，DC-DC转换模块和单片机和显示屏模块组成。系统方框图如图（1）所示。图(1)系统方框图2.2单个模块方案比较与论证2.2.1.DC-DC转换方案与论证方案一：采用输入电压隔离型反激式DC/DC控制器LT3748，该器件极虽然能达到设计的要求，但是它的价格昂贵，提高了设计的成本。因此不采用此方案。电源220v/50Hz5v直流末级放大DC-DC转换峰值检波前级放大单片机显示屏中间级放大输入输出方案二：采用“TI公司”的DC-DC变换器TPS61087DRC。TPS61087DRC是一个高频率，高效率直流集成转换器，电源开关提供的输出电压可高达18.5v，650kHz或1.2MHz的可选频率，允使用小的外部电感器电容，提供了快速瞬态响应。外部补偿允许特定条件下的优化应用。一个电容器连接到软启动引脚减少启动时的浪涌电流。通过以上比较分析比较，我们选用方案二。2.2.2前级放大电路方案与论证方案一：：简单的放大电路可由分立元件搭接完成。此方案元器件成本低，易于购置。但是要满足所需设计的要求，需采用多级放大电路实现，这样便大量采用三极管等分立元件，这样电路比较复杂，工作点难于调整，调试难度太大，周期很长，尤其是短时间内手工制作难以保证可靠性及指标，故不采用此方案。方案二：采用“TI公司”的高速运算OPA820ID作为前级放大电路，OPA820提供了一个宽带，单位增益稳定，具有非常低的输入噪声电压和高输出电压，电流反馈放大器使用低5.6毫安电源电流。在单位增益，使该OPA820与调峰1dB的800MHz的带宽。该OPA820补充了卓越的DC在低功率器件精度这个高速运转。最坏情况下的输入失调电压的±750μV和偏移量为±400nA电流提供良好的绝对直流脉冲放大器应用的精度。最小的输入和输出电压摆幅净空让OPA820运作单一+5V的2Vpp信号转换输出摆幅供应。通过以上比较分析比较，我们选用方案二。2.2.3末级放大方案与论证方案一：功率放大输出级采用分立元件构成的OCL电路，驱动级采用集成芯片，整个功放级采用大环电压负反馈。这种方案的优点是：由于反馈深度容易控制，故放大倍数容易控制。且失真度可以做到很小，使音质很纯净。但外围元器件较多，调试要困难一些。因此不选用此方案案二：采用“TI”公司的THS3091。THS3091具有很强的电流驱动能力，输出的正弦波很容易在50Ω的负载上达到2VRMS。宽电压范围内联合总谐波失真为-69dBc的为10兆赫。此外，7300V/μs压摆率，使THS309理想的高电压驱动器应用中的任意波形适合高转换率。此外，有能力处理大型电压摆幅为高电阻和高电容负载，同时保持良好的驾驶性能。本方案简单易行，而且由于采用单芯片，系统体积大大减小。通过以上分析比较，我们选用方案二。三、理论分析与计算3.1电压增益计算3.2通频带为保证系统在宽频带内正常工作，需要对系统电路板合理布线，以防止自激和串扰等现象的发生。（1）模拟部分的电源均采用大电容并联小电容的方法进行滤波，其中可变增益部分和功放部分的电源则单独供电。（2）模块之间的走线均采用屏蔽线，数字地和模拟地采用磁珠隔离。3.3增益带宽积增益带宽积(GBP)是用来衡量放大器性能的一个参数，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。题目中要求放大器电压增益Gain≥40dB，即AV≥100。放大器的通频带20HZ--5MHz，所以本放大器的带宽增益积为GBP=100*（5M-20）单个放大器是很难达到该GBP，所以考虑采用多级放大器级联。经过查阅手册，用两片OPA820后再级联上末级THS3091，足以达到题目要求。3.4通频带内增益起伏的控制3.5放大器稳定性四、电路与程序设计4.1系统硬件电路设计4.1.15v直流单电源模块根据题目要求设计出5v直流单电源电源模块，先采用变压器将220v/50hz的交流电变压整流后成12v直流电，然后用7805三端稳压管进行稳压，从而得到我们所需要的5v直流电源。采用此种方法得出的5v直流电，性能相对稳定。电路原理图，如图所示。图（2）5V电源模块4.1.2DC-DC转换电路根据题目要求，采用5v单电源供电，而本系统中，只有前级放大电路可以直接接5v直流供电电源，后面的末级电路和其他相应的电路不能直接接5v的供电电源，这里就需要进行电压的转换。TPS61087DRC是一个高频率，高效率直流集成3.2A至直流转换器。而且还可以转换成负电压，很好的满足了我们的需要，为我们带来的很大的方便。如图以TPS61087DRC为主芯片的DC-DC转换电路。图（3）DC-DC4.1.3前级放大电路对于整个系统而言，前级放大电路的噪声指标对整个系统有着极其重要的影响，OPA820是一款非常好的具有低的输入噪声电压，高输出电压的集成芯片。正好满足要求设计。如图所示，以OPA820为主的前级放大电路图的设计。图（4）前级放大电路4.1.4中间级放大电路采用宽带低失真单位增益稳定的电压反馈运算放大器OPA842为核心的中间级放大电路，增益带宽积：200MHz；低输入电压噪声：2.6nV/√Hz；极低失真：-93dBc（5MHz的）；高开环增益：110dB。OPA842提供了在单片运算放大器所无法实现速度和动态范围。通过使用单位增益稳定，带有两级内部增益的电压反馈的架构，OPA842在保证非常低谐波失真前提下实现了较宽的频率范围。相对于宽带电流差动增益/相位性能，“经典”差分输入提供了精密放大器的所有优点。电路如图所示。4.1.5.末级放大电路对前级放大电路传输的电压在此进行放大，以达到我们所设计的要求，要求失真小，压摆率高，THS3091具有很好的这种特性。如图以THS3091为主芯片的末级放大电路。图（6）末级放大电路4.1.6峰值检波电路由于本系统信号频率很宽，如果采用有源器件组成的峰值检波电路，在低频和高频段均有，真，不能得到与峰值线性对应的直流电平。对系统的整体性能有很大影响。所以我们采用无源峰值检波电路。图（7）峰值检波电路4.1.7抗干扰措施系统总的增益为40dB，抗干扰措施必须做的很好才能避免自激和减少噪声，我们采取下述方法减少干扰，避免自激：（1）将输入部分与增益控制部分装在屏蔽盒中，避免级间干扰和高频自激。（2）电源隔离，输入级和功率输出级采用电感隔离供电，避免低频自激。（3）数模隔离，数字部分和模拟部分之间除了电源隔离之外，还将各控制信号用电感隔离。（4）使用同轴电缆，输入级和输出级使用BNC接头，输入级和功率级之间用同轴电缆连接。（5）所有信号耦合用电解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频增益下降。实践证明，电路的抗干扰措施比较好，没有产生自激。4.2系统软件设计4.2.1软件设计思想系统的数字显示部分由LuminaryMicro公司Stellaris®基于ARM®Cortex™-M3的LM3S811微控制器来完成，主要用来实现数字显示部分。LM3S811微控制器内部配置的有ADC模块，转换分辨率为10位，支持多个输入通道。因此直接采样低于ADC端口的最大输入电压进行换算，得到输出电压峰峰值和有效值，然后送12864液晶显示。4.2.2软件流程图4.2.3软件源程序（见附录）六、测试数据与结果分析1、测试仪器及型号数字示波器函数信号发生器四位半万用表开始GPIO初始化ADC初始化设置ADC0采样中断是否产生中断？液晶显示峰峰值NY液晶显示有效值2、测试方案用自制直流稳压电源为本带宽放大器供电。首先接好电路开机上电，然后从信号源接入输入信号，根据题目的各项要求测试，相应的改变输入信号幅值及频率，用示波器检测负载上输出信号，完成各相应测试、记录数据并进行结果分析。3、测试结果（1）通频带测试频率/HZ实测/Vopp测试结果(2)电压增益测试频率/HZ输入电压/Vopp输出电压/Vopp增益/dB（3）噪声电压测试（4）输出负载测试s用四位半数字万用表测得输出负载为Ω。4、测试结果分析从测试数据结果来看，所有测试结果精度都较高，误差较小。最关键的是采取了多种抗干扰措施，如使用同轴电缆，输入级采用BNC接头等，同时这样也加强了系统的稳定性。附录：系统性能概览基本要求（1）Av≥40dB实现，最大为dB（2）下限截止频率不高于20Hz，上限截止频率不低于5MHz；实现，下限截止频率为HZ上限截止频率为HZ（3）输出电压峰峰值≥10V波形无明显失真实现，最大输出电压峰峰值为V（4）输出50Ω阻性负载实现，输出负载为Ω（5）设计并制作满足放大器要求所用的直流稳压电源实现发挥部分要求（1）Av≥40dB，上限截止频率不低于10MHz；实现，HZ（2）数字显示放大器输出电压的峰峰值和有效值，输出电压（峰峰值）测量范围为0.5～10V实现测量相对误差小于5%；实现（3）尽可能降低放大器的输出噪声实现（4）其他六、总结附录总体设计图和核心源程序参考文献[1]周振甫．周易译注[M]．北京：中华书局，1991．[2]陈崧．五四前后东西方文化问题论战文选[C]．北京：中国社会科学出版社，1985．[3]陈桐生．中国史官文化与《史记》[D]．西安：陕西师范大学文学研究所，1992．[4]白永秀，刘敢，任保平．西安金融、人才、技术三大要素市场培育与发展研究[R]．西安：陕西师范大学西北经济发展研究中心，1998．[5]何龄修．读顾诚《南明史》[J]．中国史研究所，1998，5（3）：167～173[6]瞿秋白．现代文明的问题与社会主义[A]．罗荣渠．从西化到现代化[C]．北京：北京大学出版社，1990．121-133[7]谢希德．创造学习的新思路[N]．人民日报，1998-12-25（10）．[8]王明亮．关于中国学术期刊标准化数据库系统工程的进展[EB/01]．，1998-08-16/1998-10-04．[9]万锦坤．中国大学学报论文文摘（1983-1993）．英文版[DB/CD]．北京：中国大百科全书出版社，1996．注：M-专著，C-论文集，N-报纸文章，J-期刊文章，D-学位论文，R-研究报告，S-标准，P-专；