论文部分内容阅读
摘要 本系统以TI公司16位超低功耗单片机MSP430F168作为控制核心，前级放大采用高带宽运算放大器OPA820，中间采用高带宽电流型运放OPA656，采用电流型运算放大器THS3091实现末级的功率放大，用液晶显示测得的峰峰值与有效值。该设计在0-10M带宽范围内的小信号进行有效放大，输出电压峰峰值达10V。本设计在放大电路后级设有手动直流调节端，即对功率放大电路的失调和直流零点漂移进行补偿，同时在后级放大电路中利用软件对后级放大器电路进行补偿，把系统的失调和漂移抑制在较低的限度之内，系统稳定性好，抗干扰能力强。经验证，本方案完成了全部基本功能和部分扩展功能。
关键词 带宽噪声功率放大
一、方案论证与比较
（一）电源电路。电路中运放比较多，而题目要求只有5V单电源供电，输出峰峰值达到10V。所以必须设计一个电源转换电路。有两种方案如下：方案一：开关稳压电源；方案二：电压转换芯片与线性稳压电源。此方案效率较低，但方便可靠且噪声较小。由于本设计中要对小信号进行放大，要求电源噪声干扰小，故采用方案二。
（二）中间级信号放大。由于设计要求中规定了前级与末级放大的运算放大器，但OPA820ID与THS3091D共同构成的两级放大电路不足以提供题目要求的40dB的增益要求，故需要在中间接一级放大电路。中间级放大电路的设计方案如下。方案一：采用电流型运算放大器构成放大电路如OPA656、THS3001。方案二：电压型构成放大电路。经比较权衡，前者在电路结构和调试两方面均强于后者，故选择方案一。
（三）末级功率放大电路 。
题目要求末级放大电路采用THS3091，THS3091的带宽高达210MHz。根据题目要求，最大输出电压正弦波峰峰值为Vo≥10V，即幅度最小为Vom=5V，当信号频率为f=10MHz，则所选运放的转换速率SR为SR>>2πfVom=314V/us。最大供电电压可达±15V，转换速率为7300V/us，各项指标均足满足题目要求。末级放大电路的设计可考虑以下两种方案。方案一：单THS3091放大。方案二：双THS3091放大。方案二是以两倍成本来达到更高的输出，而方案一已经能达到峰峰值为10V的要求，方案二高成本的设计显得没有必要。经比较并权衡利弊，选择方案一。
（四）滤波电路。
由于信号频率跨度较大，在高频时，难免会产生高频干扰信号，所以设计一个低通滤波电路是很有必要的。滤波电路的设计方案如下：方案一：由运放构建的有源滤波；方案二： LC无源滤波。经比较并权衡利弊，前者滤波效果优于后者，故选择方案一。
二、理论分析与计算
（一）放大器带宽增益积。1.电压反馈型(VFB)运算放大器的增益和带宽存在一定的关系：从直流到由反馈环路的主极点决定的截止频率Fc之间，增益是恒定不变的，电路设计时应在放大器的带宽和增益之间进行折衷选择。另外引入负反馈以后，放大电路的上限频率扩展了，扩展程度与反馈深度F 有关；2.电流反馈型(CFB)运算放大器:在电流反馈运放中，开环响应是输出电压对输入电流的响应。电流反馈运放也被称为跨阻放大器。电流反馈运放可以在较宽的增益范围内保持高带宽，但这是以反馈阻抗的选择有限制为代价的。
（二）抑制直流零点漂移理论分析。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。补偿是指用另外一个元器件来抵消放大电路的漂移，把漂移抑制在较低的限度之内。
三、系统设计及模块电路
（一）系统框图。最小系统实现对系统的总体调度。峰值检波电路测出放大电路的输出信号峰值，单片机读取对这个值，转换成有效值后显示出来。
（二）主要模块电路。1.电源电路。电源用TI公司的DC-DC芯片TPS61087，将题目提供的+5V电源转换为+12V，用MC34063将+5V转换为-12V，得到正负12V，后接LM7805和LM7905输出正负5V，便可得到各个运放的电源。2.宽带放大电路。前级放大电路采用TI公司提供的OPA820，第二级采用高带宽电流型运算放大器OPA656。为祛除级间自激干扰，须进行阻抗匹配。我们两级之间加电压跟随器，用以级间隔离。
（三）功率放大电路。功率放大电路由THS3091构成，负载为51欧姆的电阻，输出峰峰值可达10V。电位器P1对放大倍数进行微调，补偿电路中的衰减，电位器P2对电路中的偏置电压进行微调，补偿运放产生的失调电压和消除零点漂移。THS3091为电流型运算放大器，输出电流高达350mA。TPS61087和MC34063为THS3091提供±9V电源，THS3091输出功率最大为1.2W。
（四）軟件设计。
本设计中，软件设计比较简单，直接将MSP430F168内部的ADC设置为单通道多次采样模式进行连续采样，多次采样后取最大值即可得到采样信号的幅值，由于ADC只能采样0-2.5V之内的电压，所以要对被采电压进行分压，然后根据分压公式得到被测信号的幅值。进行一定运算，即可得到峰峰值和有效值，送入液晶1602显示。由于单片机ADC采样值有一定的误差，在编写程序时对其进行补偿，即可得到比较接近真实值的峰峰值和有效值。每次显示完成后让其延时一段时间，防止单片机采样过快，使液晶一直不停的显示而影响观测。
四、系统测试与数据分析
（一）带宽测试数据，3dB通频带7.8M。
（二）最大输出电压正弦波有效值测试；测试方案：输入信号频率设置为100kHz，10MHz，输入信号电压有效值为10mV，用示波器观察输出信号不失真的条件下，记录最大输出电压有效值。测试结果：100kHz 的频点上，最大输出电压正弦波有效值为10.96V，波形均无明显失真。10MHz 的频点上，最大输出电压正弦波有效值为9.83V，波形均无明显失真。
（三）放大器负载电阻测试。在负载端留有测试负载端子，负载电阻为50.88Ω。
（四）输出端噪声测试。输入接地，设置增益G=60dB，用示波器探测输出端噪声电压，测得峰峰值小于186mV。
五、结论与总结
（一）结论：该设计能满足全部的基本要求，完成了提高要求中的一部分。在增益达40dB的条件下，通频带可达8MHz；输出噪声较小，噪声电压2mV内；用单片机测得峰峰值并用液晶显示峰峰值与有效值。
（二）存在问题及改进措施：1.在每个模块都能正常工作的情况下，整机连调的时候会出现“共地”问题，导致整机会有一个50Hz 的工频干扰；2.整个设计中，电路功耗很大，电源地之间出现高频信号，输入信号受到干扰，解决方法是加粗电源线与地线；3.在方案实施过程中，由于时间比较紧，来不及制版，而实验板的结构受限，导致频率过高的时候会引入干扰。如果能在精确调整之后，将整体电路利用PCB开出电路板，减少连线引起的干扰，一定程度上可以提高精度和性能。
（编辑王立建）
关键词 带宽噪声功率放大
一、方案论证与比较
（一）电源电路。电路中运放比较多，而题目要求只有5V单电源供电，输出峰峰值达到10V。所以必须设计一个电源转换电路。有两种方案如下：方案一：开关稳压电源；方案二：电压转换芯片与线性稳压电源。此方案效率较低，但方便可靠且噪声较小。由于本设计中要对小信号进行放大，要求电源噪声干扰小，故采用方案二。
（二）中间级信号放大。由于设计要求中规定了前级与末级放大的运算放大器，但OPA820ID与THS3091D共同构成的两级放大电路不足以提供题目要求的40dB的增益要求，故需要在中间接一级放大电路。中间级放大电路的设计方案如下。方案一：采用电流型运算放大器构成放大电路如OPA656、THS3001。方案二：电压型构成放大电路。经比较权衡，前者在电路结构和调试两方面均强于后者，故选择方案一。
（三）末级功率放大电路 。
题目要求末级放大电路采用THS3091，THS3091的带宽高达210MHz。根据题目要求，最大输出电压正弦波峰峰值为Vo≥10V，即幅度最小为Vom=5V，当信号频率为f=10MHz，则所选运放的转换速率SR为SR>>2πfVom=314V/us。最大供电电压可达±15V，转换速率为7300V/us，各项指标均足满足题目要求。末级放大电路的设计可考虑以下两种方案。方案一：单THS3091放大。方案二：双THS3091放大。方案二是以两倍成本来达到更高的输出，而方案一已经能达到峰峰值为10V的要求，方案二高成本的设计显得没有必要。经比较并权衡利弊，选择方案一。
（四）滤波电路。
由于信号频率跨度较大，在高频时，难免会产生高频干扰信号，所以设计一个低通滤波电路是很有必要的。滤波电路的设计方案如下：方案一：由运放构建的有源滤波；方案二： LC无源滤波。经比较并权衡利弊，前者滤波效果优于后者，故选择方案一。
二、理论分析与计算
（一）放大器带宽增益积。1.电压反馈型(VFB)运算放大器的增益和带宽存在一定的关系：从直流到由反馈环路的主极点决定的截止频率Fc之间，增益是恒定不变的，电路设计时应在放大器的带宽和增益之间进行折衷选择。另外引入负反馈以后，放大电路的上限频率扩展了，扩展程度与反馈深度F 有关；2.电流反馈型(CFB)运算放大器:在电流反馈运放中，开环响应是输出电压对输入电流的响应。电流反馈运放也被称为跨阻放大器。电流反馈运放可以在较宽的增益范围内保持高带宽，但这是以反馈阻抗的选择有限制为代价的。
（二）抑制直流零点漂移理论分析。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。补偿是指用另外一个元器件来抵消放大电路的漂移，把漂移抑制在较低的限度之内。
三、系统设计及模块电路
（一）系统框图。最小系统实现对系统的总体调度。峰值检波电路测出放大电路的输出信号峰值，单片机读取对这个值，转换成有效值后显示出来。
（二）主要模块电路。1.电源电路。电源用TI公司的DC-DC芯片TPS61087，将题目提供的+5V电源转换为+12V，用MC34063将+5V转换为-12V，得到正负12V，后接LM7805和LM7905输出正负5V，便可得到各个运放的电源。2.宽带放大电路。前级放大电路采用TI公司提供的OPA820，第二级采用高带宽电流型运算放大器OPA656。为祛除级间自激干扰，须进行阻抗匹配。我们两级之间加电压跟随器，用以级间隔离。
（三）功率放大电路。功率放大电路由THS3091构成，负载为51欧姆的电阻，输出峰峰值可达10V。电位器P1对放大倍数进行微调，补偿电路中的衰减，电位器P2对电路中的偏置电压进行微调，补偿运放产生的失调电压和消除零点漂移。THS3091为电流型运算放大器，输出电流高达350mA。TPS61087和MC34063为THS3091提供±9V电源，THS3091输出功率最大为1.2W。
（四）軟件设计。
本设计中，软件设计比较简单，直接将MSP430F168内部的ADC设置为单通道多次采样模式进行连续采样，多次采样后取最大值即可得到采样信号的幅值，由于ADC只能采样0-2.5V之内的电压，所以要对被采电压进行分压，然后根据分压公式得到被测信号的幅值。进行一定运算，即可得到峰峰值和有效值，送入液晶1602显示。由于单片机ADC采样值有一定的误差，在编写程序时对其进行补偿，即可得到比较接近真实值的峰峰值和有效值。每次显示完成后让其延时一段时间，防止单片机采样过快，使液晶一直不停的显示而影响观测。
四、系统测试与数据分析
（一）带宽测试数据，3dB通频带7.8M。
（二）最大输出电压正弦波有效值测试；测试方案：输入信号频率设置为100kHz，10MHz，输入信号电压有效值为10mV，用示波器观察输出信号不失真的条件下，记录最大输出电压有效值。测试结果：100kHz 的频点上，最大输出电压正弦波有效值为10.96V，波形均无明显失真。10MHz 的频点上，最大输出电压正弦波有效值为9.83V，波形均无明显失真。
（三）放大器负载电阻测试。在负载端留有测试负载端子，负载电阻为50.88Ω。
（四）输出端噪声测试。输入接地，设置增益G=60dB，用示波器探测输出端噪声电压，测得峰峰值小于186mV。
五、结论与总结
（一）结论：该设计能满足全部的基本要求，完成了提高要求中的一部分。在增益达40dB的条件下，通频带可达8MHz；输出噪声较小，噪声电压2mV内；用单片机测得峰峰值并用液晶显示峰峰值与有效值。
（二）存在问题及改进措施：1.在每个模块都能正常工作的情况下，整机连调的时候会出现“共地”问题，导致整机会有一个50Hz 的工频干扰；2.整个设计中，电路功耗很大，电源地之间出现高频信号，输入信号受到干扰，解决方法是加粗电源线与地线；3.在方案实施过程中，由于时间比较紧，来不及制版，而实验板的结构受限，导致频率过高的时候会引入干扰。如果能在精确调整之后，将整体电路利用PCB开出电路板，减少连线引起的干扰，一定程度上可以提高精度和性能。
（编辑王立建）