宽带放大器(A题)最终报告

1宽带放大器摘要本作品采用单位增益稳定、低噪声的电压反馈运算放大器OPA820和高带宽、低失真、单位增益稳定的电压反馈运算放大器OPA842及高电压、低失真的电流反馈运算放大器THS3091构成三级放大电路。电路由前级放大模块、中间级放大模块、后级放大模块、电源模块和峰峰值检测显示模块组成。通过合理的分配三级放大的倍数很好的实现了放大器电压增益≧40dB(100倍)的要求，并且带内波动小。采用MSP430单片机作为峰峰值的检测和显示；使用7660CPAZ构成5电源；采用DC-DC变换器TPS61087DRC的实现了为末级放大电路供电；用有源RC的滤波的方法减少了高频波段的干扰。同时使用屏蔽线传输信号、利用瓷片电容和胆电容稳压等抗干扰措施以减少放大器的噪声并抑制高频自激。经验证，本方案完成了全部基本功能，扩展部分最小输出电流没有达到0.5V。关键词宽带放大器MSP430单片机OPA820THS3091一、方案设计与论证经过仔细的分析和论证，我们认为此次宽带放大器可分为前级放大模块、中间级放大模块、后级功率放大模块、滤波器模块、电源模块及峰值检测显示模块。1.1前级放大部分方案的论证采用单位增益稳定、低噪声的电压反馈运算放大器OPA820，实现4倍增益放大。1.2二级放大的论证和选择方案一：采用分立元件设计。此方案元器件成本低，但设计复杂度较大，并且由于受到众多寄生元件的影响，调试复杂且周期长，频率高时更突出。因此此方案在高增益高宽带内难以保证可靠性和指标，也不便于保真系统稳定。方案二：采用TI提供的高带宽、低失真、单位增益稳定的电压反馈运算放大器OPA842。该OPA842单位增益稳定，电压反馈与两个内部增益级架构，OPA842实现在较宽的频率范围非常低谐波失真。能够很好的达到低失真，低噪声和较高的带宽范围要求。所以我们选择此方案来实现中间级的25倍增益放大。1.3末级放大电路方案论证由于我们训练时使用的是高电压、低失真的电流反馈运算放大器THS3091。THS3091的高电压，低失真，高速度，旨在为需要工作在±5伏的宽电源电压范围为±15V的电流反馈放大器，并且能够单电源供电,正好能够实现在输出负载上，放大器最大不失真输出电压峰峰值≥10V的要求。所以我们选择此方案。1.4电源模块方案论证和选择方案一：使用555构成5电源，但是555构成的电源纹波较大，对放大器的稳定性造成了很大的影响,不利于系统整体的实现。方案二:使用7660CPAZ构成5电源，电路简单纹波小，易于实现系统对稳定性的要求。利用TPS61087实现+5V到+12V的转变为THS3091供电。最后我们采用方案二。二、理论分析与计算22.1带宽增益积带宽增益积(GBP)是用来简单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。按照题目发挥部分的要求，信号的通频带为0～10MHz，最大电压增益AV40dB,则增益带宽积为：10M×10^（40/20）1GHz,又输出最小电压要到0.5V,我们采用分级放大的方式，使放大器整体增益超过40dB.尽量满足达到最小峰值的发挥要求。2.2增益分配分析本系统采用三级放大电路，题目要求增益要大于40dB,最大电压峰峰值要大于10V，且要求在最大增益下，放大器下限截止频率不高于20Hz，上限截止频率不低于5MHz；由于增益的增大会减少带宽，所以，合理分配各级放大器的放大倍数是必须的。由于OPA842有400MHz的增益带宽积，经过分析，我们选择前级放大12.44dB增益，中间级放大27.96dB，末级放大6.52dB增益，最终实现系统总放大224倍，达到题目要求。2.3通频带计算放大器链路的组成如下图所示：OPA820OPA842THS3091输入输出R51B1=60MHzB2=16MHzB3=210MHz图2-1放大器链路图上图注明了设计中每级增益的分配，并且下方依据芯片手册给出了各级-3dB通频带的上限。系统通频带由三级OPA820、OPA842、THS3091共同决定，由频率相应公式可知系统增益与频率的关系如下：2221/28208423091()||((1())(1())(1()))uuIAfAffffff式中，82060fMHz，84216fMHz，810210fMHz，为芯片资料中相应运放的通频带，|Aul|为放大链路中各级放大器的中频电压放大倍数。经过计算，系统3dB带宽大于10MHz,能够满足发挥部分的要求。2.4线性相位分析假设某个频率的正弦信号通过一个系统的时间需要T，则这个信号的输出相位落后原来信号W*T的相位。则该信号被延迟了。在实际系统中，一个输入信号可以分解为多个正弦信号的叠加，为了使得输出信号不会产生相位失真，必须要求它所包含的这些正弦信号通过系统的时间延迟是一样的,则要求落后的相位要正比于频率w。从系统的频率响应来看，就是要求它的相频特性是一条直线。本系统3中会引入时延的主要有两个部分：各级运算放大器和滤波器。从个运算放大器相频特性曲线上可以看出运放不是线性相位系统。而完全理想的线性相位滤波器对于一定频率范围的时间延迟是一个常数，就可以实现线性相位。从本设计系统中的使用RC低通滤波器的相频特性上看，此滤波器不是线性相位的。2.5抑制直流零点漂移分析零点漂移是指当放大电路输入信号为零时，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。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。本系统主要由前置放大级、中间级和末级功率放大这三级组成，由于系统为宽带直流放大器，所以各级之间必须采用直接耦合的方式来抑制零点漂移。2.6放大器稳定性分析放大器在工作时会出现自激，外部干扰等，影响放大器稳定的工作。当放大器深度负反馈时输出信号带有一定的纹波。本系统在末级输入端增加一低通RC滤波器消除高频的纹波干扰。为抑制干扰在放大器电源两端并接一个0.1uF的瓷片电容可以消除输出信号的干扰。对系统的焊接布局，进行认真合理的分析，尽量避免焊接点之间形成90度角，焊接成45度角，严格区分各接地端的连接位置，避开输入输出端的连接位置，避免系统引起自激振荡。可以大大降低信号的干扰。三、电路与程序设计3.1系统总体方案根据题目要求，本系统总共分为五大部分：第一部分前级放大电路，实现12.04dB增益放大；第二部分中间级放大电路实现27.96dB增益放大；第三部分末级放大提高系统驱动负载的能力；第四部分电源模块实现单5V供电到±5V,+12V供电的转变；第五部分峰峰值检测及显示模块。系统整体框图如下图3-1：图3-1系统总体框图3.2前级放大电路设计前级放大电路有OPA820构成，实现的放大增益为12.44dB，12.44dB带宽为60MHz,在其同向输入端并联51欧电阻到地，实现阻抗匹配。电路图如图3-2所示：4图3-2前级放大电路图3-3中间级放大电路3.3中间级放大电路设计中间级采用高带宽、低失真、单位增益稳定的电压反馈运算放大器OPA842实现27.96dB的增益放大，27.96dB带宽为20MHz。OPA842单位增益稳定，采用电压反馈与两个内部增益级构成，OPA842在较宽的频率范围非常低的谐波失真。低电压噪声，高输出电流驱动使OPA842最适合高动态范围的应用。单位增益稳定，使OPA842特别是对高增益差分放大器，跨阻放大器，正好能够满足题目高带宽、低失真、低噪声的要求。电路图如上图图3-3：3.4末级功率输出部分末级采用高电压，低失真，电流反馈运算放大器THS3091增大驱动负载的能力。THS3091的高电压，低失真，高速，旨在为需要申请工作在±5伏的宽电源电压范围为±15V的电流反馈放大器大具有高达7300V/µs的压摆率，带宽不小于200MHz，该级实现6.02dB增益放大，THS3091依然还有210MHz带宽。电路图如右图3-4：3.5电源电路的设计按照题目要求，的要求我们采用TPS61087实现+5V到+12V的转变为THS3091实现单电源供电，电路图如上图3-5(a)所示。使用7660CPAZ构成5电源，电路简单且纹波小，易于实现系统对稳定性的要求，如图3-5（b）所示。图3-4末级放大电路5(a)+5V到+12V电路图3-5(b)+5V到±5V电路3.6峰峰值的检测的设计峰峰值检测电路主要完成显示任务，实现单片机的显示，由于单片机不可能直接检测的峰峰值为10V的电压，所以我们采用电阻分压，来实现检测峰峰值的目的。3.7抗干扰处理我们在实际制作中采用下述方法减少干扰，避免自激：1、输入输出从焊接板一端进，另一端出避免信号形成回路产生自激振荡；2、在焊接电路时，将整个电路运放用底线包围，以吸收高频干扰信号，减少噪声，避免高频辐射，增强系统的稳定度。3、各级放大电路的地线分开连接，避免各级运放由于供电电压不同而产生相互影响。3.8程序设计在此系统中，软件部分主要由MSP430单片机完成，AD采样采用中断方式，单片机采用低功耗模式，完成峰峰值采样，通过程序设计计算在LCD显示负载端峰峰值和有效值，程序流程图如下。否图3-6程序设计框图四、系统的测试及结果分析4.1测试仪器序号名称、型号、规格数量1DG1022双通道函数/任意波形发生器12普源DS1052E数字示波器13DF1731-SB3A直流稳压电源14UT39A数字万用表14.2测试方案及结果1、放大器电压增益≧40dB(100倍)测试及峰值检测。测试方法：用函数发生器产生频率1MHz,输入峰峰值分别为4mv、5mv、10mv、20mv、50mv正弦波进行测量。直接从LCD显示器即可读出输出电压峰峰值。测试条件：带50阻性负载，增益为系统固定增益47dB，输入频率固定为1MHz输入峰值Vpp4mv5mv10mv20mv50mv输出峰值Vpp960mv1.16v2.16v4.60v11.2v实际增益G47.60dB47.31dB46.74dB47.23dB47.10dB开始关看门狗，初始化时钟开中断，低功耗模式启动ADC为单通道多次模式AD中断入口读转换结果采样转换得34个值数据处理显示6增益误差1.28%0.66%0.55%0.49%0.21%测试结果分析；由数据可以看出，信号增益≧40dB(100倍)，最大输出电压峰峰值为11.2V达到了题目的基本要求。最小输出电压峰峰值为0.96V达到了发挥部分的大部分要求。测量相对误差小于5%，满足发挥部分要求，且信号输出波形无明显失真。2、噪声测试题目发挥部分要求尽可能降低放大器的输出噪声；，故对放大器的噪声进行测试。测试方法：由于系统增益固定，所以增益定为系统增益47dB,示波器输入端加50电阻匹配到地，用示波器测量输出端噪声,测得噪声的峰峰值为300mv,结果表明噪声很低，能够满足要求。3、在最大增益下，放大器的上下限截止频率检测；测试方法：用函数发生器输入固定峰峰值，按下表给定输入频率值，输入相应的频率，用示波器测试输出端峰峰值记录值如下：固定增益（47dB）输入峰峰值Vpp=20mV固定增益（47dB）输入峰峰值Vpp=50mV输入频率输出峰值输入频率输出峰值输入频率输出峰值输入频率输出峰值20HzVpp=4.56V4MHzVpp=4.55V20HzVpp=11.20V4MHzVpp=11.80V50HzVpp=4.60V5MHzVpp=4.50V50HzVpp=11.40V5MHzVpp=11.6V100HzVpp=4.64V6MHzVpp=4.50V100HzVpp=11.42V6MHzVpp=11.52V1KHzVpp=4.60V7MHzVpp=4.50V1MHzVpp=11.20V7MHzVpp=11.24V1MHzVpp=4.60V8MHzVpp=4.50V1MHzVpp=11.10V8MHzVpp=10.94V2MHZVpp=4.609MHzVpp=4.50V2MHzVpp=11.00V9MHzVpp=10.94V3MHZV