宽带直流放大器设计报告.docx
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宽带直流放大器设计报告
宽带直流放大器
摘要：
本系统以超低功耗单片机MSP430F449为控制核心，由前级放大模块、增益控制模块、带宽预置模块、功率放大模块、按键及显示模块和直流稳压电源模块组成，具有0~60dB范围内手动连续调节、5dB程控步进调节的功能和增益显示的功能。
在前级级放大中，采用宽带放大芯片OPA690对输入信号进行小倍数放大，然后由压控放大器VCA810进行放大倍数调节，最后通过低噪声电流反馈运放THS3091进行功率放大，从而达到10V有效值输出。
在系统设计中，采用了合理的阻抗匹配，规范的线路布局和有效的散热设置，并且综合考虑了去耦、滤波，以及使用同轴电缆屏蔽干扰，降低的功耗，减少了高频信号的噪声和自激，全面提高了系统的稳定性。
关键字：
MSP430F449、OPA690、VCA810、THS3091
目录
一、方案论证与选择1
1、可控增益放大部分1
2、带宽预置部分1
3、功率放大部分1
二、系统总体设计方案及方框图1
三、理论分析与计算2
1、带宽增益积2
2、通频带内增益起伏控制2
3、线性相位2
4、抑制直流零点漂移2
5、放大器稳定性2
四、主要功能电路设计3
1、前级放大电路3
2、程控放大电路3
3、功率放大电路4
五、系统软件设计4
六、测试数据与分析5
1、测试仪器5
2、测试方案及结果完整性5
3、测试结果分析6
七、结论及系统改进6
参考文献7
附录7
附图15MHZ滤波器7
附图210MHZ滤波器8
附图3直流稳定电源9
一、方案论证与选择
1、可控增益放大部分
方案一：
场效应管控制增益。
采用单片机控制场效应管工作在可变电阻区，利用其电压与电阻的线性关系来实现增益的控制，但由于大量分立元件的引入，使得电路复杂且稳定性差。
方案二：
程控放大器VCA810。
题目要求0~60dB可调增益，而VCA810的可调范围-40dB~+40dB，那么可直接采用VCA810作为放大的中间调节级对已进行小倍数放大的信号进行再次放大或衰减。
更有一点就是VCA810具有宽带低噪声，并且以dB为单位的线性增益的特点。
该方案方便、稳定，可操作性强，所以采用此方案。
2、带宽预置部分
方案一：
采用LC椭圆滤波器。
题目要求5MHZ和10MHZ的低通滤波器，并且要求带内起伏小，采用LC椭圆滤波器可实现较陡的衰减，但非标称值的电感和电容会带来很大的误差，并且椭圆滤波器的极点会增大带风起伏。
方案二：
RC有源巴特沃斯滤波器。
巴特沃斯滤波器带内平坦，无较大起伏，并且用电阻、运放代替电感，使元件的灵活性更强，可调性更强，并且采用多阶级联的形式可达到高带宽内的平坦。
因此采用此方案。
3、功率放大部分
方案一：
采用三极管搭建。
三极管成本低，使用灵活，但各种参数的选择过于复杂，会给电路的设计带来较大的难度，并且该方法的设计周期过长。
方案二：
采用电流反馈型集成芯片。
电流反馈芯片THS3091具有210MHZ以上的带宽，压摆率达到7300V/us，最大输出电流250mA，并且可以输出
15V的高电压，若采用二片并联的形式可完全胜任10MHZ下10V有效值的稳定输出和50
负载的驱动。
该方案简单稳定、方便调试，因此采用方案二。
二、系统总体设计方案及方框图
本系统主要由前级放大模块、增益控制模块、带宽预置模块、功率放大模块、按键及显示模块和直流稳压电源模块组成。
如图1所示
图1系统框图
在程控放大部分，采用DAC0832将精确的控制电压送入到VCA810的电压控制端，以实现5dB的准确步进增益。
在带宽控制部分用单片机控制继电器来进行5MHZ和10MHZ的带宽切换，这样可减少手动切换的机械干扰。
在THS3091功率放大部分，为减小芯片上的电流，采用三片并联的方式，这样安全性更高。
三、理论分析与计算
1、带宽增益积
带宽增益积是衡量放大器的一个重要的指标，对于电压反馈型运放，带宽增益积
在稳定的外界环境下是固定值，并有GBP=Au*f。
在系统设计中前级最大放大200倍，在10MHZ时，
要达到2GHZ，对于单个运放不很难实现的，所以前级放大是采用OPA690与VCA810的级联。
而对于电流反馈型运放，带宽增益积GBP不是固定的值，它是随输入信号频率及幅度的大小而改变的，但对于THS3091其带宽增益积最小也有210MHZ，所以在后级功放设计5倍增益是完全可以到达的。
电路图见附图1和附图2。
2、通频带内增益起伏控制
题目中要求通频带内增益起伏
1dB，本设计采用巴特沃斯滤波器，巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，虽然在阻频带内下降缓慢，但可以通过增加滤波器的阶数来加快衰减。
经过滤波设计软件FilterProDT设计和Multisim仿真，5MHZ时四阶即可实现，而10MHZ时采用八阶。
3、线性相位
若某一特定频率f的信号通过系统需要时间T，则输出信号相位延迟2*∏*f*T，而实际上输入信号是由许多不同频率正弦信号组成。
那么要满足相位不失真，则需要延迟相位与频率要满足线性的特点。
整个系统中会引入相位失真的主要是放大电路及滤波电路。
而放大器VCA810、OPA690、THS3091在高带宽中非并不线性相位系统。
我们所设计的四阶巴特沃斯通过频谱分析也不具有线性相位的特性，所以整个系统会有较大的相位失真。
4、抑制直流零点漂移
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。
而前级放大器引入的直流对整体的系统影响最大，系统通过手动调节分压网络对其进行补偿。
5、放大器稳定性
（1）放大器板上所有运放电源线及数字信号线均加磁珠和电容滤波。
磁珠可滤除电流上的高频毛刺，电容滤除低频率的干扰，它们配合在一起可较好的滤除电路上的相互干扰。
（2）在两个焊接板之间传递模拟信号时用同轴电缆，信号输入输出使用SMA接头以使传输阻抗匹配，并可减少空间电磁的干扰，同时避免自激。
（3）数字电路部分和模拟电路部分的电源严格分开，同时数字地和模拟地电源地多点相连。
四、主要功能电路设计
1、前级放大电路
在放大器的前级，我们采用OPA690进行5倍放大，这样可以有效的减小后级放大的负担。
并且OPA690具有高带宽、低噪声特点，可满足要求。
如图2所示
图2前级放大电路
2、程控放大电路
在程控放大部分，我们采用VCA810进行-40dB~+40dB范围内调节。
如图3所示
图3程控放大电路
为了减小前级放大中零点漂移引入的直流分量对后级功放静态工作点的影响，再加一级由OPA690构成的调节偏置电路，放大设置为2倍。
通过调节R6使输出平均值为0V。
如图4所示
图4调节偏置电路
3、功率放大电路
功率放大需要带50
负载，而输出电压有效值不小于10V，那么可得到功率P=U2/R=2W，为减小THS3091的负荷，且单片最大提供250mA的输出电流，我们采用二片THS3091并联的形式，每一片为负载提供1/3的电流，并且设定每一个片的5倍的放大倍数。
为平衡输出电流，以及提高容性负载驱动能力，在每一片THS3091后面串一个5
功率电阻。
如图4所示
图4功率放大电路
五、系统软件设计
1、系统程序主要是控制继电器来选择增益控制档和带宽控制档，同时负责接收按键信息来控制D/A以实现步进增益，然后将增益显示在LCD上。
2、为了减少功耗，程序设计有低功耗模式。
3、键盘输入采用中断模式，而不是查询模式，这样减少资源的占用。
程序流程图见图5
图5程序流程图
六、测试数据与分析
1、测试仪器
数字万用表MASTECHMS8265
双踪示波器GWINSTEKGDS-106260M
函数发生器SG1040A
2、测试方案及结果完整性
（1）放大器增益测试
测试方案：
保持输入信号峰峰值Vp-p=28mV，频率1MHZ，用按键设置0~60dB范围内增益，观察显示器上电压显示，计算出相对误差。
测试数据见表1。
表1放大器增益测试数据
预置增益
0dB
10dB
20dB
30dB
40dB
50dB
60dB
实测电压
30mV
85mV
288mV
872mV
2.75V
8.79V
28.02V
误差
7.1%
5.7%
2.9%
1.5%
1.8%
0.07%
0.07%
（2）放大器带宽测试
测试方案：
保持输入信号峰峰值Vp-p=20mV，分别在5MHZ带宽40dB增益与10MHZ带宽60dB增益下，连续调节信号发生器的频率，记录不同频率下示波器电压值。
看是否满足通频带及平坦度要求。
测试数据见表2和表3。
表25MHZ带宽40dB增益测试数据
频率f（KHZ）
1
200
500
1000
2000
3000
4000
5000
Vp-p（V）
2.04
2.01
2.00
2.00
1.92
1.90
1.86
1.42
表310MHZ带宽60dB增益测试数据
频率f（KHZ）
1
500
1000
3000
5000
7000
9000
10000
Vp-p（V）
2.03
2.01
2.01
2.01
1.98
1.95
1.87
1.40
3、测试结果分析
由表1可得，放大器可实现0~60dB步进增益，并且误差小于2%。
由表2及表3可得，放大器在0~4MHZ内带内起伏小0.8dB,5MHZ时幅度衰减0.711倍，而在0~9MHZ内带内起伏小0.9dB,5MHZ时幅度衰减0.708倍，所以均满足题目要求。
七、结论及系统改进
对系统进行不断调节，达到了题目基本要求和部分扩展功能指标要求，
但是如果在细节中更加规范，仍有提高的空间。
在整个过程中遇到以下几点问题：
（1）在高频电路中不需要每一级都匹配，如果匹配次数过多，会使放大倍数程指数衰减，这样会影响系统的稳定度。
（2）由于系统电磁的干扰，裸线接触处会出现自激和信号互串现象，所以无论连线多短也不要用烙锡直接连线。
（3）由于系统要达到14V以上的幅值，功耗较大，发热严重，这样会导致输出信号频率不稳定，所以对VCA810和THS3091要加散热片，同时加风扇散热。
（4）每个模块都能正常工作的情况下，整体级联的时候会出现“共地”问题，整个系统会有一个50HZ工频干扰，改进措施是系统地线不能出现环路，所有地线最好一点接地，包括模拟地和单片机的数字地。
参考文献
[1]谢自美电子线路设计（第二版）武汉：
华中科技大学出版社，2007
[2]夏宇闻Verilog数字系统设计教程北京：
北京航空航天大学出版社，2003
附录
附图15MHZ滤波器
图210MHZ滤波器
附图3直流稳定电源
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