宽带放大器.docx
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宽带放大器
宽带放大器（E题）
队员一：
田紫龙
队员二：
蒲军
队员三：
冉海南
信息工程学院
2017.6.4
目录
1系统方案3
1.1放大模块的论证与选择3
1.2升压模块的论证与选择3
1.3显示模块的论证与选择3
1.4ADC模块的论证与选择4
2电路与程序设计4
2.1电路的设计4
2.1.1系统总体框图4
2.1.2前级放大模块电路原理图5
2.1.3前级放大模块的分析与计算6
2.1.4后级放大模块电路原理图6
2.1.5后级放大模块的分析与计算7
2.16电源电路原理图7
2.17显示电路原理图7
2.2程序的设计8
2.2.1程序功能描述与设计思路8
2.2.2程序流程图9
3测试结果10
3.1测试结果及分析10
3.1.1测试结果（数据）11
3.1.2测试结果的分析及提出抗干扰的办法11
1系统方案
本系统是以FPGA为主要控制芯片，采用单位增益稳定低噪声运放OPA820作为前级放大，利用2片OPA820进行级联放大，高速运THS3091作为末级放大，采用2片THS3091并联提高电路功率，其中利用升压模块，为末级电路提供供电电压。
采用TLV1544这款串行12位A/D转换，实现了测量并数字显示放大器输出电压峰峰值的功能，测量误差小于5%。
本系统的增益能够在0到45dB之间可调，上限及下限截止频率达到20MHz和20Hz，在50Ω负载上，最大不失真输出电压峰峰值为10.5V。
系统的输出噪声小于30mv。
1.1放大模块的论证与选择
方案一
以OPA690为放大模块的主芯片，测试时输入信号频率在100KHZ时能够放大10倍，频率逐渐调大，当超过5M再调至100M过程中，放大后的输出信号逐渐变小，并且在接近20MHZ时输出的信号有失真。
尝试在增大频率时失真的更为明显，而本题目要求的发挥部分高达10MHZ及以上，故舍弃此方案。
方案二
以OPA820作为前级放大，并采用同相放大输入以提高通频带，可将小信号放大12倍。
末级放大采用高速运放THS3091实现，可使频带在20Hz~10MHz的前提下，增益在0~45dB内可调。
综上所述，故采用方案二。
1.2升压模块的论证与选择
方案一
以TPS61087电源模块将5V压转化为18V给末级THS3091功率放大模块供电，由于该模块比较昂贵。
方案二
采用boost升压电路，设计升压模块，将5V电压升到正负12V电压足够末级放大芯片的供电电压，模块设计简单易行，器件简单，满足需求。
综上所述，故采用方案二。
1.3显示模块的论证与选择
方案一
使用ad芯片制作A/D转换模块，将数字化的信号传入51单片机中，并在单片机中进行程序设计，通过1602进行显示。
由于A/D转换模块的精度不够，且单片机提供的采样频率达不到要求，不能进行准确的显示，故舍弃。
方案二
以FPGA作为控制中心，并且利用开发板自带的10位串行AD采样通道，精度达到要求，而且此单片机能够提供相应的采样频率，故选择方案二
2电路与程序设计
2.1电路的设计
2.1.1系统总体框图
图2-1系统框图
2.1.2前级放大模块电路原理图
图2-2opa820放大
图2-3opa820放大
2.1.3前级放大模块的分析与计算
采用高速运算放大器OPA820ID作为第一级放大电路。
OPA820是一款单位增益稳定、低噪声、电压反馈型放大器，增益G=±2时带宽240MHz。
虽然它不是轨对轨（RR）输出，但比典型RR输出运算放大器有着更低的功耗及噪声。
采用同向放大的接法，具体电路图2-1所示，此OPA820的带宽增益积为480MHz前级放大最大只需要20倍，即满足需要120MHz的带宽增益积。
2.1.4后级放大模块电路原理图
图2-3ths3091放大
2.1.5后级放大模块的分析与计算
采用THS3091ID做末级功率放大电路，THS3091是一款高输出，低失真，电流反馈型放大器。
我们在输入端设置电容，将前级的偏置电压去掉，具体电路如图2-3所示。
我们可以通过调节反馈电阻，调节增益，前级放大20倍以上，后级放大至少5倍。
电流反馈型运放THS3091，带宽BW=210MHz，满足在10MHz以内频带几乎无运放带宽限制造成的衰减。
2.1.6电源电路原理图
图2-4lm317可调电源
2.1.7显示电路原理图
图2-51602显示
2.2程序的设计
2.2.1程序功能描述与设计思路
系统软件基于FPGA为处理平台，主要完成数字有效值、峰值检测功能。
通过TLV1544对信号进行AD采集，得到最大值和最小值，其差值为峰峰值。
峰峰值测量程序如下。
always@（posedgeclkornegedgerst_n）
begin
if（!
rst_n）
ADC_SDI<=1'b0;
else
case（ini_state）
data_in1:
ADC_SDI<=1'b1;
data_in2:
ADC_SDI<=1'b0;
data_in3:
ADC_SDI<=1'b0;
data_in4:
ADC_SDI<=1'b1;
ini_done:
case（w_state）
read1:
ADC_SDI<=1'b0;
read2:
ADC_SDI<=1'b0;
read3:
ADC_SDI<=1'b0;
read4:
ADC_SDI<=1'b0;
default:
ADC_SDI<=ADC_SDI;
endcase
default:
ADC_SDI<=1'b0;
endcase
end
always@（posedgeclkornegedgerst_n）
begin
if（!
rst_n）
ADC_DATA<=10'd0;
else
case（w_state）
read1,read2,read3,read4,read5,read6,read7,read8,read9,read10:
if（sclk_cnt==6'd25）
for（i=9;i>0;i=i-1）
begin
ADC_DATA[i]<=ADC_DATA[i-1];
ADC_DATA[0]<=ADC_SDO;
end
else
ADC_DATA<=ADC_DATA;
default:
ADC_DATA<=ADC_DATA;
endcase
end
always@（posedgeclkornegedgerst_n）
begin
if（!
rst_n）
begin
ADC_DATA1<=10'd0;
max<=10'd0;
end
elseif（w_state==conver）
begin
ADC_DATA1<=ADC_DATA;
if（ADC_DATA1>max）
max<=ADC_DATA1;
end
else
ADC_DATA1<=ADC_DATA1;
end
2.2.2程序流程图
图2-4
3测试结果
3.1测试结果及分析
3.1.1峰峰值测量结果
输入
频率
输入信号峰峰值
输出信号
峰峰值
峰峰值
测量值
峰峰值
绝对误差
峰峰值
相对误差
20HZ
100mv
5V
4.97V
0.03V
0.6%
20HZ
100mv
10V
9.94V
0.06V
0.6%
2KHZ
100mv
5V
4.94V
0.06V
1.2%
2KHZ
100mv
10V
9.88V
0.12V
1.2%
5KHZ
100mv
5V
4.90V
0.1V
2.0%
5KHZ
100mv
10V
9.95V
0.05V
0.5%
200KHZ
100mv
5V
4.80V
0.2V
2%
200KHZ
100mv
10V
9.90V
0.1V
1%
500KHZ
100mv
5V
4.94V
0.06V
1.2%
500KHZ
100mv
10V
9.85V
0.15V
1.5%
1MHZ
100mv
5V
4.94V
0.06V
1.2%
1MHZ
100mv
10V
9.88V
0.12V
1.2%
10MHZ
100mv
5V
4.90V
0.1V
2.0%
10MHZ
100mv
10V
9.95V
0.05V
0.5%
3.1.2有效值测量结果
输入
频率
输入信号峰峰值
输出信号
有效值
有效值
测量值
有效值
绝对误差
有效值
相对误差
20HZ
100mv
2V
1.94V
0.06V
3%
20HZ
100mv
5V
4.90V
0.1V
2%
2KHZ
100mv
2V
2..06V
0.06V
3%
2KHZ
100mv
5V
4.90V
0.1V
2%
5KHZ
100mv
2V
1.95V
0.05V
2.5%
5KHZ
100mv
5V
4.85V
0.15V
3%
500KHZ
100mv
2V
1.90V
0.1V
5%
500KHZ
100mv
5V
4.95V
0.05V
1%
1MHZ
100mv
2V
1.96V
0.04V
2%
1MHZ
100mv
5V
4.95V
0.05V
1%
5MHZ
100mv
2V
2..06V
0.06V
3%
5MHZ
100mv
5V
4.90V
0.1V
2%
10MHZ
100mv
2V
1.95V
0.05V
2.5%
10MHZ
100mv
5V
4.85V
0.15V
3%
3.2测试结果的分析及提出抗干扰的办法
本系统在单电源供电的前提下，较好地完成了低噪声宽带放大的功能。
其中最大增益45dB，通频带20Hz～30MHz，噪声小于200mV。
测量放大器输出电压的峰峰值的相对误差小于5%。
系统误差来源于DC-DC芯片对电源的影响，THS3091在大电流下温度变化引起的系统工作不稳定，以及A/D采样的量化误差。
为此，系统采取了一系列抗干扰措施抑制自激和减小噪声，输入级和功率输出级采用隔离供电，电源部分输入和输出端都采取了一些滤波措施，以减小它对前后级电路的影响，具体方法如下：
（1）PCB布线过程中的抗干扰
1：
铺地线
在对小信号测量模块的硬件进行PCB设计的时候，对信号的完整性一定要进行分析，可以通过大量铺地来进行屏蔽外界信号的干扰。
本设计我们采用了该方法，很好的提高了系统的抗干扰性。
2：
元器件尽量靠近芯片
PCB布线的时候，元器件尽量靠近芯片，在测量高频信号的时候，这样做可以大幅度减小极间电容，分布电容，以及寄生电容的干扰。
本设计中我们所用的电阻电容距离芯片的距离均3不超过25mil,提高了系统的抗干扰性。
3：
PCB布线尽量避免信号并行，必要的时候用地线隔开信号线
PCB布线并行的减少可以避免自激和减少信号的损耗，用地线隔开信号线同样也可以减少自激的发生。
（2）信号传输过程中的抗干扰
1:
使用同轴电缆进行信号的传输
在信号传输的时候，使用同轴电缆，可以避免自激的产生，避免了使用杜邦线及一般电线传输造成的损耗，杜邦线及一般电线在高频信号传输的时候，由于其本身含有一定的电阻电容，这样会加大信号的损耗，本设计我们采用同轴电缆传输，可以实现0.1Hz到10MHZ良好传输，损耗可以忽略不计。
（3）芯片供电电源的抗干扰
1：
通过多级电容滤波
芯片供电电源，一般都会有纹波的干扰，导致信号在传输的时候会包含一些电源中的纹波成分，本设计中们设计的电源纹波较小，在10mv以下，并且我们在对电源进行供电的时候，采用了102,103,104,4.7uf等电容实现了多级滤波，使得纹波的干扰降到了最低。
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