宽带放大器（A题）摘要 本设计采用TI指定芯片设计一个5V单电源供电的宽带低噪声放大器，输出为50阻性负载。整个系统主要由DC-DC升压变换模块、第一级放大模块、中间级放大模块、滤波器模块、后级功率放大模块、峰值及有效值检测模块、手动直流偏移调零模块以及显示模块组成。系统实现了输入频率范围为20Hz10MHz内信号的平稳放大，其中输入信号电压可低至10mV，整个放大器增益大于40dB。第一级放大电路加入手动直流偏移调零模块，对放大器的失调电压进行补偿，最大限度地减小整个放大器的直流偏移。输出信号的峰值及有效值通过专用有效值转换芯片进行测量，测量范围为0.510V，测量相对误差小于5%。设计中采用了一系列抗干扰措施，使放大器输出噪声小于200mV，经测试，大部分指标达到或超过题目发挥部分要求。关键词：宽带放大器 LC低通滤波 峰值及有效值检测 DC-DC变换一、系统方案论证1.1中间级放大器的选择方案一：采用集成可控增益放大器。集成可控增益放大器的增益与控制电压成线性关系，控制电压由单片机控制DAC产生，精度高，增益可调范围大，但是价格昂贵，电路相对复杂。方案二：采用低噪声宽带电压反馈运放OPA846对信号进行放大。该放大器带宽增益积高达1.6G，增益为40dB时，通带内稳定增益范围超过10MHz，输入噪声仅为1.2nV/Hz，5M时的失真度仅为-100dB,压摆率高达600V/us,在中间级放大电路采用该运放能够实现较大倍数的不失真平稳放大。 综合性价比的考虑，本设计选择了方案二。 1.2低通滤波器方案论证方案一：采用有源滤波器。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95以上，无功补偿细致。但是价格高，容量小，稳定度不及无源滤波器，且对于高频信号的滤波难以实现。方案二：采用无源LC巴特沃斯低通滤波器。其优点为通带较平坦，电路简单，不需供电，可靠性高，成本低，容量大，能够得到较高的上限截止频率。缺点为谐波滤除率一般只有80，对基波的无功补偿也是一定的。为了使通带尽量平坦，减小系统功耗，降低成本，本设计选用了方案二。1.3峰值及有效值检测电路方案一，采用峰值检波电路。由高速轨到轨运放OPA3355构建，可对100KHz5M高频信号进行峰值检波，具有较好的精度，但对于低于100kHz的信号难以实现准确的检波。方案二：采用有效值转换芯片AD637，通过有效值计算出对应的电压峰峰值。此方法转换精度高，速度快，对于幅度较大和一定频率范围内的信号的转换精度较高,但对于对于幅度只有几百mV而频率高达数MHz的信号转换有一定的误差，需要软件进行补偿。为了实现题目要求的20Hz10MHz内信号的峰值测量，本设计选用了方案二。最终确定的系统详细框图如下：A/D输入输出第一级放 大模块后级功率放大模块电源模块单片机 MSP430峰值、有效值检测中间级放大 模块10M巴特沃斯低通滤波器模块手动调零 模块LCD显示图1 系统总体框图 二、理论分析与计算2.1带宽增益积 按照题目发挥部分的要求，信号通频带为20Hz10MHz，最大电压增益40dB，也就是+100V/V，则增益带宽积为： 10M x 10(40/20)=1GHz，采用分级放大的方式，使放大器整体增益超过40dB。设计第一级放大10dB，中间级放大25dB，末级功率放大12dB，超过题目要求的40dB。 2.2通频带内增益起伏控制 为了使放大器在20Hz10MHz通频带内有较平坦的增益。系统尽量选用带内增益起伏较小的高速宽带运放，使其0.5dB带宽超过题目要求。如OPA820在增益为2倍，38M通频带内增益平坦度为0.1dB；OPA2846在100M以下频带范围内增益起伏小于0.1dB；THS3091在5V电源供电时，在增益为2倍，65M通频带内起伏小于0.1dB，均满足题目指标要求。2.3线性相位 线性相位即输入信号通过系统后产生的相位延迟随频率成线性变化。信号的相位随频率的变化会因放大器内部的电抗原件而失真。这种“线性”失真称作相位线性度，可通过矢量网络分析仪在放大的整个频率范围内而测得，本队在调试过程中对系统的相位线性度进行观察和测试。系统相位线性度的标准尺度就是“组延迟”，如果滤波器是对称或反对称的，就可以实现线性相位，如果频率响应F(w)是一个纯实或者纯虚函数，就可以实现固定的组延迟。 为了使系统在整个通频带内实现线性相位，在设计中严格按照阻抗匹配原则，使其负载呈纯阻性。在输入级采用较粗的地线包围，可吸收高频信号减小噪声。各个集成电路均加有退耦电容，减小寄生电容电感的影响。2.4 抑制直流零点偏移 为了使信号在放大的过程中失真最小、增益稳定，就要采取措施抑制零点漂移。对于题目中所给出的运放可知，运放本身的输入偏置电压都在mV级别以下,但要将只有mV级别的微弱信号进行放大时，这里的偏置电压就不可忽视。为减小输入偏置电压的影响，本设计在第一级加入手动偏差调节电路，以补偿输入端的偏置电压。2.5 放大器稳定性分析 由于本系统放大倍数较大，后级的信号耦合到前级很容易引起自激震荡。为了提高放大器的稳定性，需要注意的是尽量做好电源退耦，特别是由于本系统的带宽较宽，信号有可能通过电源线相互耦合，为了防止电源线引起的干扰，本设计在每个芯片的电源线上都使用了去耦电容。在运放的连接中，反馈电阻要尽量靠近输入引脚，防止反馈回路中的分布电容引入反馈回路中的极点引起自激。除此之外在电路布局中使输入级与输出级电路远离，防止耦合。三、硬件电路设计3.1第一级放大模块 按照题目要求需要对输入为5mV100mV的小信号进行放大，采用低失调低噪声电压反馈型运放OPA820，其在10倍增益时的-3dB带宽达30MHz，故完全能够对输入信号放大10dB20dB。图 2 第一级放大电路3.2 中间级放大模块设计 采用OPA846，其增益带宽积为1750MHz（稳定增益7），在10倍增益时带宽高达400MHz，即使放大30倍也可以做到很高精度，为了避免放大倍数太高引起后级放大器自激震荡，此级放大倍数调低到28dB左右。电路图见附录1。3.3 10M巴特沃斯低通滤波器模块 为了更好地抑制输出噪声，在末级功放电路之前加LC无源低通滤波器。本设计采用了5阶巴特沃斯滤波器实现。利用低通滤波器归一化表计算出阶滤波器的参数，如图3所示。 图3 5阶巴特沃斯低通滤波器3.4 后级功率放大模块设计 此级功率放大电路采用THS3091，通过两路THS3091并联扩大输出电流，提升放大器带负载能力。对于高速，宽带的电流反馈型运放THS3091，需要特别注意走线布局，如反馈环一定要走最短路线，因为长导线也会引起更大的附加相移，容易引起自激震荡。在联调过程中发现末级电路非常容易自激震荡，为此不得不牺牲前级电路的增益来避免自激。 图4 功放原理图3.5 峰值检测电路设计发挥部分需要测量输出电压的峰值和有效值，对于高达10MHz的高频信号用单片机的AD直接采样非常困难，因此选用高精度的单片真有效值/直流转换芯片AD637，其测量误差0.2%。它能计算任何复杂波形的真有效值、平均值、均方根值、绝对值，具有分贝输出（060dB）。宽频带，量程在07V范围内可调。当输入电压=200mV(RMS)时，频率上限为600KHz；1V(RMS)时频率上限高达8MHz。对于超过8MHz的信号，其有效值转换有一定的误差，通过软件进行补偿，以达到题目要求的精度，电路图见附录2。3.6抗干扰处理 在实际制作中采用了以下方法减少干扰，避免自激：1、将整个运放用很宽的地线包围，以吸收高频信号，减少噪声。在功率放大级，这种方法可以有效避免高频辐射；2、退偶电容尽量接近芯片电源引脚；3、部分电路中使用了使用贴片器件；4、布局中尽量让芯片远离热源，并选用零漂小的芯片；5、各个元器件接地耦合产生干扰，选用单点接地减小相互干扰。用较粗的电源线走地线，减小各个地间电阻；6、数字地与模拟地之间用0电阻串接。可保证直流电位相等，并且对所有频率的噪声都有衰减作用(0电阻也有阻抗，而且电流路径狭窄，可以限制噪声电流通过）。四、系统软件设计利用MSP430F149单片机片内的12位ADC能够达到较高的转换精度，但真有效值转换芯片AD637的转换精度只在幅值较大的电压时有较高的转换精度，在微弱的mV级电压时存在较大误差，根据实测进行软件补偿。软件流程图见附录3。五、指标测试方案及测试结果测试仪器清单仪器型号数字示波器Tektronix TDS1002函数发生器EE1411直流稳压电源YB1732A3A数字万用表DT9205A三位半超高频毫伏表YB21745.1最大电压增益与最小输入信号测试测试方法：用函数发生器产生频率1MHz，峰峰值分别为5mV、10mV、20mV、50mV、100mV、200mV正弦波送入系统进行测量。测试条件：50负载。输入输出波形质量电压增益/dB5mV1.6V失真严重-10mV2.5V较小失真47.9650mV6.9V无失真42.77100mV13.5V无失真42.61150mV16.6V无失真40.88200mV17.0V较小失真38.59测试结果分析：放大器最大增益达到47.96dB,调节电位器可改变放大倍数，但是增益过高时容易自激出现震荡，若加入频率补偿电路，放大倍数可以提升。5.2幅频特性和带内波动测试测试方法：输入峰峰值为100mV的正弦波信号，用函数发生器产生多个单频点的方式，用示波器观察输出信号的峰峰值，从20Hz10MHz范围，计算出输出信号幅度与放大43.7dB时的理论输出幅度之比。测试条件：50负载。频率输出/V波形质量通频带内起伏/dB20Hz15.4较小失真0100Hz15.4无失真01kHz15.2无失真0.11100k14.2 无失真0.701MHz13.6无失真1.085MHz12.6无失真1.747MHz10.8无失真3.0810MHz10.1无失真3.66测试结果分析：在10MHz频带内失真小，衰减也较小。5.3最大不失真输出电压峰峰值（带负载）测试方法：方法同5.1测试结果：16.6V测试结果分析：在输出负载上，放大器最大不失真输出电压峰峰值达到16.6V，高于题目要求的10V内峰峰值不失真的要求。5.4输出噪声电压测试测试方法：将输入端与地短接，用超高频毫伏表测量输出电压有效值。测试条件：50负载。测试结果：160mV5.5输出电压峰峰值和有效值测量测试方法：系统输入端输入频率1MHz，不同幅值的正弦信号，在输出端先用示波器观察输出峰峰值和有效值，然后将输出电压加入峰值检波电路，测量结果由LCD显示。测试条件：50负载。输入幅度/mV 输出峰峰值/V输出有效值/V显示峰峰值/V显示有效值/V测量相对误差（有效值）10013