宽带放大器设计报告 - 图文
更新时间:2023-12-16 15:53:01 阅读量: 教育文库 文档下载
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设计报告
题 目:宽带放大器(A题)
队 号: 512074
宽带放大器
摘要:以TI公司的高速宽带运放OPA820ID和THS3091D作为放大模块的宽带低噪声放大器,使用超低
功耗MCU MSP430F169处理器为测量显示部分。该放大器主要包括前级放大、中间放大、末级放大、输出电压检波电路、输出电压测量和显示电路等几部分。经过测试,在33KHz~10MHz频段上信号增益稳定、噪声小,符合题目设计要求。
1 设计目标
(1)采用高速运算放大器OPA820ID作为第一级放大电路,THS3091D作为末级放大电
路,利用DC-DC变换器TPS61087DRC为末级放大电路供电; (2)放大器电压增益≧40dB(100倍),并尽量减小带内波动;
(3)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10MHz; (4)在输出负载上,放大器最大不失真输出电压峰峰值≥10V。
(5)放大器输入为正弦波时,可测量并数字显示放大器输出电压的峰峰值和有效值,
输出电压(峰峰值)测量范围为0.5~10V,测量相对误差尽量小于5%;
2系统方案选择与论证
2.1 放大模块
试题要求信号的增益要大于40DB,这就要求信号的放大倍数至少为100倍,虽然OPA820ID、OPA842和THS3091D均为宽带放大器,带宽增益积均大于200M,考虑到多种因素,单级放大倍数不能过大,系统采用三级放大结构,放大倍数可以采用5×5×4或者5×4×5。
2.1.1 第一级运放电路选择
方案一:按照试题规定,第一级运放必须选择OPA820ID,由于系统供电电源为5V,可以使用单电源供电,提供2.5V偏置电压。优点为电源可以直接使用;缺点为由于偏置电压的存在,信号的放大倍数将受到限制。
方案二:第一级运放OPA820ID,可以采用双电源供电。优点是电路简单,并能提升放大倍数。但是,由于系统供电电源为5V,5V转正负5V电路中如果使用模拟器件将比较复杂,如果使用DC/DC芯片将会引入太多的干扰,降低信号的品质。
方案确定:经过电路模拟和实际测试发现,虽然单电源供电电路较为复杂,但是输出电压的品质较高,噪声非常小,有利于信号的下一级放大。所以,选择方案一。 2.1.2 第二级运放电路选择
方案一:使用OPA842,作为中间放大级。因其和820一样为电压反馈型,电路结构较为相似,具有240MHz的带宽增益积,可以作为中间放大环节。
方案二:使用OPA820,作为中间放大级。电路结构与第一级基本相同,差异为调整放大倍数小于25,具有200MHz的带宽增益积,可以作为中间放大环节。
方案确定:由于制作时间限制,第一级运放电路已成熟,因此,本设计采用的二种方案。 2.1.3 末级运放电路选择
方案一:按照试题规定,末级运放必须选择THS3091D,由于系统供电电源为5V,所以必须使用DC/DC芯片TPS61087DRC升压后,为THS3091D供电。所以只能选择单电源15V供电,并提供7.5V偏置电压。优点为电源可以比较容易得到;缺点为由于偏置电压的存在,信号的放大倍数将受到限制。
方案二:末级运放THS3091D,可以采用双电源供电。优点是能提升放大倍数。但是,由于供电电源为15V,单电源转正负5V电路中如果使用模拟器件将比较复杂,如果使用DC/DC芯片将会引入太多的干扰,降低信号的品质。
方案确定:因单电源供电电路较为简单,减小放大倍数可以提高输出电压的品质较高,减小噪声。所以,选择方案一。 2.2 检波电路
因检波器的输入调幅信号幅度较大(大于0.5V),所以,为大信号检波。其特点是二极管运用在伏安特性曲线的线性部分,虽然输入调幅信号的幅度较大,但在整个周期内二极管不总是导通的。 2.3 AD采样电路
AD采样通过TI的低功耗单片机MSP430F169使用其自带的ADC通道,完成电压峰值的检测。 2.4显示电路
通过TI的低功耗单片机MSP430F169将采集的到的电压信号经过转换,在LCD1602上实时显示。
3系统总体设计
3.1 硬件设计
以低功耗单片机MSP430为主控器件、分为前级放大、增益控制、功率放大、峰峰值检测等模块,本课题采用高速运算放大器OPA820ID作为前级和中间放大电路,利用THS3091D作为末级功率放大电路。为了显示输出电流的峰峰值和有效值,使用高速宽带运放THS3091D跟随后进行峰峰值检测,得到输出信号的峰值,通过TI的低功耗单片机MSP430F169使用其自带的ADC通道,完成电压峰值的检测,并在LCD1602上实时显示。
电源管理模块第一级放大模块末级放大模块MCUMSP430F169第二级放大模块检波电路显示
图1系统硬件实现框图
3.1 软件设计
本系统的程序较为简单,通过MCU的P6.3口检测检波输出电压值有效值Vrms和峰峰值
Vpp
Vp,经过峰值转换
。并显示在1602上。
开始初始化启动AD转换数据处理数据显示 图2系统硬件实现框图
4 系统单元电路设计 4.1 电源模块设计
系统使用的直流电源为5V,直接供给单片机、第一级、中间级放大器和DC/DC芯片。末级使用DC/稳压后的15V电压,如果直接使用15V电源为末级放大器供电,在带负载时,会出现电压跌落。。
图3 升压电源硬件原理
4.2 放大模块参数选择
为了更好的选择运放的参数,在结合数据手册中的应用实例的前提下,使用TINA-TI的模拟电路仿真软件对整个放大回路做了一个比较细致的仿真,以便于为实际电路的参数提供参考。仿真电路的原理图如下:
J1J2J3J4+++VS2 2.5VS4 7.5+VS1 5+J5VS5 -15VS3 15R21kJ2J1R11kJ2VF2++VF4+VG1+-R3 4kR6 1.6kSW-SPST4 +U3 THS3091C6 10uJ3+C5 10uR131kJ4+C3 10uVF3U2 OPA820SW-SPST3 VF5U1 OPA820SW-SPST2 R52kVF1SW-SPST1 C1 10nJ1J4J3+-D1 1N1183+C710uVF6U4 THS3091R121kR41kC410nR7400R8 3kC210nR1150R10 500R91k 图4 系统仿真原理图
50mV信号放大倍数的曲线如下图所示:
J4
图5 TINA的仿真结果曲线
4.3第一级放大器电路设计
使用TL431为第一级和第二级OPA820运放提供稳定的2.5V工作点。放大倍数约为6.6倍。
图6 第一级放大器电路
4.4 第二级放大器电路设计
第二级的反馈电阻为560欧,增益电阻为220欧,实测增益约为3.6.
图7 第二级放大器电路
4.5末级放大器电路设计
这里使用7.5V稳压管,为3091提供偏置工作点。反馈电阻的实测值为3.11K,增益电阻阻值为0.989欧,实测增益约为4.1。此时,运放的总增益为6.6×3.6×4.1约为98.信号输出稳定。
图8 末级放大器电路
4.6 检波电路设计
检波电路采用采用点接触型锗二极管2AP系列,检测频率可达1GHz,自身的管压降小于0.1V。能够尽可能准确的检测到输出电压的峰值。
图9 检波电路
系统里采用P6.3的A3通道作为输出信号的采样通道。
图10 MCU原理图
2.正5v电源
3.双踪示波器
峰值和有效值。
5 测试结果分析
4.8 显示部分
5.2 测试结果与分析
5.1 测试装置与仪器
条件下可达到15MHz。
1.F10型函数信号发生器
4.7 MCU的系统原理图
为低频信号提供通路,输出有所改善。在较高频率段,由于信号源自身的衰减,使输出电压
生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形,这些字符有:阿拉伯数字、英
幅值略有下降,通过实际输入和输出信号的测量计算,仍保持固定的增益。在衰减-3DB的
显示部分采用的是1602字符液晶,16x02即32个字符, 1602液晶模块内部的字符发从20Hz开始,输入信号为110mV,逐次升高频率,发现在20Hz~20KHz,由于耦合
文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,通过发送
命令和发送所需要显示字符的代码,即可获得所需显示的字符。能够实时显示输出信号的峰
电容值偏小,导致信号衰减过大,输出的电压幅值偏小,经过在各级运放之间增加耦合电容,
下图为10MHz条件下的输入信号、输出信号的波形如下表所示:
5.3 主要器件清单
种类 OPA820 THS3901 TL431 TPS61087 电感 肖特基二极管 5.4 设计实物
名称及规格 数量 6.8uH SL22 2 1 1 1 1 1
6 设计总结
使用高速宽带运放OPA820ID和THS3091D作为放大模块的宽带低噪声放大器,实现了将小信号放大100倍的目的,高通频带在22K~11MHz上可以输出峰峰10V以上,较好满足了基本功能的要求。使用超低功耗MCU MSP430F169处理器为测量输出电压并显示,充分的发挥了扩展功能,符合设计要求。但是由于对于低频部分准备的不足,导致系统在20KHz以下的频段,响应特性不太理想。 参考文献
【1】张毅坤、陈善久、裘雪红编著. 《单片微型计算机原理及应用》. 西安电子科技大学出版社. 1997年
【2】孟立凡、蓝金辉主编.《传感器原理及应用》 电子工业出版社. 2007年 【3】阎石.《数字电子技术基础》.高等教育出版社. 1998年
【4】华成英、童诗白.《模拟电子技术基础》. 高等教育出版社. 2001年
【5】黄智伟 编著. 《全国大学生电子设计竞赛—电路设计》. 北京航空航天大学出版社. 2006年.
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