宽带直流放大器.docx
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宽带直流放大器
宽带直流放大器
摘要：
本系统主要由五个模块电路构成：
前级放大、中级程控放大、宽带预制、单片机显示与程控模块。
前级放大由电压反馈型放大器OPA820进行小信号放大，中间级由可程控放大芯片VAC810对前级信号进行放大，最后通过低噪声电流反馈型运放THS3091进行功率放大以达到有效值10V的输出。
宽带预置部分由继电器控制滤波部分来达到放大器宽带0~5M，0~10M的预制。
程控模块对放大的0~60dB的程控，宽带的预置与液晶的显示。
关键词：
MSP430f449OPA820VAC810THS3091
目录
一、方案设计与论证3
1、增益控制部分3
2、低通滤波器部分3
3、功率放大部分4
二、方案总体描述4
三、理论分析与计算5
1、增益分配5
2、通频带内增益起伏的控制6
四、模块电路设计6
1、前级放大电路6
2、程控放大电路7
3、低通滤波电路8
4、后级放大电路9
5、功率放大电路10
6、直流稳压源的设计11
五、程序设计13
六、测试数据与结果分析13
1、通频带测试13
2、预制电压增益测试14
3、噪声电压测试15
七、参考文献16
一、方案设计与论证
1、增益控制部分
方案一：
AD603是一款低噪声高增益的压控芯片，AD603增益与控制电压的关系为AG（dB）=40Ug+10，输入控制电压Ug由AD603的1脚输入，控制电压范围为-0.5~+0.5，增益范围为-10dB~30dB。
单片机可以通过D/A（将数字量转换为对应的模拟电压量Ug）来控制AD603的放大倍数。
但是AD603的零漂比较大，顾方案待定。
方案二：
VAC810具有宽带低噪声，宽带25MHZ，并且以dB为单位的线性增益的特点，增益控制范围为-40dB~40dB，增益与电平关系为：
G（dB）=-40（Vc+1），Vc为VAC810的增益控制电压，范围为-2V~0V。
由于考虑零漂还有增益范围，选择了方案二。
2、低通滤波器部分
方案一：
采用有源滤波器，它利用有源元件与RC元件构成低通滤波，该方案做的滤波器效果较好，但由于在高频电路中使用有源滤波器对后级影响较大，如果处理不好容易产生自激，会对后级的芯片产生较大的影响。
方案二：
采用无源LC滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。
无源LC滤波器的优点是：
电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：
通带内的信号有能量损耗。
为了是通带尽量平坦，选用了通带比较平坦的巴特沃斯滤波器。
在高频电路中使用有源滤波器会对后级的通频带有影响，而无源滤波器的电压减半可以再滤波器的后级接一个放大器来解决。
故选择方案二。
3、功率放大部分
方案一：
采用分立元件实现宽带功率放大器可以经过计算得到合适的输入输出阻抗、放大倍数和交大的输出功率。
但需采用多级高频放大电路，受电路分布参数影响，调试难度大、繁琐，且各级影响很大，不选用此方案。
方案二：
集成运算放大器。
使用集成芯片电路简单，使用方便，性能稳定，我们使用THS3091芯片做功率放大部分，这款芯片可以提供较高的输出电压，但是由于输出电流最大为250mv没办法满足输出功率，因此为了能保证输出功率，我们采用两片THS3091来作为输出来放大电流以满足负载要求。
该方案电路简单，稳定。
故采用本方案。
二、方案总体描述
总体框图如图一所示，输入信号由前级放大20dB，再由程控放大-40dB~40dB，程控滤波，最后末级功率放大。
单片机通过D/A调整VAC810的控制电压，通过继电器切换滤波器实现通频带的选择。
图一
三、理论分析与计算
1、增益分配
以程控增益放大器VAC810为核心，增益调节范围为-40dB~40dB。
VAC810的输入输出有限制，由于输入电压有效值小于等于10mv，所以前级放大设定20d。
VAC810的最大输出电压峰峰值为3.6V，假如要实现发挥部分的输出电压有效值大于等于10V的要求，即输出电压的峰峰值Vmin=10×2×
=28.28V，为得到最大的输出电压，则后级放大至少要有7.86倍。
后级功率放大电路增益设置为20dB，则总体来说应该可以实现0~60dB的增益调节范围。
2、通频带内增益起伏的控制
由于在0~9MHZ通频带内增益起伏
所以做好滤波是关键，我们采用的是巴特沃斯无源滤波，因为巴特沃斯滤波在通频带内幅度变化较平坦，在截止频率衰减快，而集成运放的带宽有限，我们采用无源的滤波，可以避免影响前后级，综合起来我们最后用的是巴特沃斯无源滤波。
四、模块电路设计
1、前级放大电路
用高速运放opa820调节宽带直流放大器的前级信号放大将28mvpp信号试图放大到200mvpp发现到10MHZ频率信号时opa820的通频带衰减了，不能满足要求。
经opa820的PDF文档中频率响应波特图得知。
opa820在放大5倍信号时通频带于10MHZ频率附近开始衰减。
所以前级放大电路改用了2级放大串联的方式放大。
如图所示：
图二
2、程控放大电路
我们选用的VAC810，根据VCA810宽频带工作模式下，增益控制范围为-40～40dB，且控制电压与增益成线性关系，所以满足题目程控要求。
但实际在使用VCA810是发现810的放大倍数达不到芯片手册上的
40dB,在信号放大20dB时就出现了失真。
因此我们不能仅靠前级放大和程控放大来达到60dB,在后级的功放电路我们也需要放大。
如图所示：
图三
3、低通滤波电路
我们根据需要直接用Filter软件进行设置就可以设计出我们需要的巴特沃斯无源滤波电路。
然后通过两个继电器来控制宽带的预制。
如图所示：
0~5MHz低通无源滤波
图四
0~10MHz低通无源滤波
图五
4、后级放大电路
由于无源滤波会有一半的衰减，同时如果在最后一级的功放放大倍数太高容易会使系统不稳，容易导致电路自激，因此在滤波器输出端接一级放大，这样可以在保证功率的情况下减小功放这一级的放大倍数，使系统更稳定。
如图所示：
图六
5、功率放大电路
采用了电流反馈型运放THS3091做10倍的功率放大，如图所示。
THS3091具有高达7300V/us的摆率，宽带210MHZ，采用了±18V供电。
其最大输出电流为250mA，若采用一片THS3091，驱动不了题目要求的最大电压有效值不小于10V的输出，故采用了两片THS3091并联，每片为50Ω负载提供一半的电流，而且如果放大倍数太高，在调节频率是很容易
图七
6、直流稳压源的设计
采用三段可调式集成稳压器LM317和LM337，构成正负输出可调的稳压电源电路。
前面采用了四个二极管，接成电桥，为桥式整流电路，于是得到一个上负下正的脉动电压。
再经过稳压芯片LM317和LM337得到直流电压。
在芯片前C1，C2为大电容，大电容充放电慢，将电压中的脉动成分滤掉。
芯片两端的电容是用于频率补偿，防止产生自激。
尾端加上了10µF的小电容滤掉可能存在高频的影响。
在输出短路时电容放电会损坏稳压器，加的二极管会保护稳压管。
如图所示：
图八
五、程序设计
图九
六、测试数据与结果分析
1、通频带测试
测试条件：
放大器宽带分别设置在5MHZ和10MHZ通频带工作模式下，输入信号有效值Vi=10mv，相应峰峰值为Vipp=28.3mv，增益设为40dB。
测试数据如图：
0~10MHz通频带测试
频率/MHz
1M
3M
5M
7M
9M
10M
Vopp/V
增益/dB
测试结果
0~5MHz通频带测试
频率/MHz
1M
2M
3M
4M
5M
Vopp/V
增益/dB
测试结果
2、预制电压增益测试
测试条件：
输入信号频率设为1MHz，有效值Vi=10mv，相应峰峰值为Vipp=28.3mv。
以5dB步进预制放大器增益，用示波器检测输出信号幅值，与理论值比较。
测试结果见下表：
测试条件
Av=0dB
Av=5dB
Av=10dB
Av=20dB
Av=40dB
Av=55dB
Av=60dB
实测Vopp
实际增益
增益误差
3、噪声电压测试
增益设为60dB，输入接地，用示波器检测输出端噪声电压峰峰值
七、参考文献
1．《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程—模拟电子线路设计》高吉祥主编电子工业出版社
2．《模拟电子技术》（第四版）华成英童诗白主编高等教育出版社
3．《MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践》沈建华杨艳琴编著北京航空航天大学出版社
4．《电子线路设计．实验．测试》谢自美罗杰主编电子工业出版社
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