宽带放大器2010.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流宽带放大器2010.精品文档.全国大学生电子设计竞赛论文宽带放大器（A题）2010年8月摘要 本作品通过采用单位增益稳定宽带低噪声电压反馈运算放大器OPA820ID和高速电流反馈运算放大器THS3091D作为放大电路，并利用DC-DC变换器TPS61087DRC为末级放大电路供电，实现了放大器电压增益40dB(100倍) ，下限截止频率不高于20Hz，上限截止频率不低于5MHz（扩展上限频率不低于10MHz），在输出50负载上，放大器最大不失真输出电压峰峰值10V。当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。系统由前级放大模块，中间级放大模块，末级功率放大模块，单片机显示模块和电源模块（ACDC和DCDC）构成。本系统综合应用了电容、电感和电子稳压滤波等抗干扰措施以抑制放大器的噪声，合理排板、布线，有效抑制高频自激，改善了放大器的稳定性，较好的实现了基础部分和发挥部分的要求。关键词：宽带低噪声放大器 DC-DC变换器 排板布线一、系统总体设计1、系统总体方案根据设计要求，本系统总共分为五大部分：第一部分：前级放大模块。通过OPA820ID宽带电压运放，实现对输入小信号放大10倍（20dB）的功能；第二部分：中间级放大模块。采用OPA820ID宽带电压运放，实现信号的5倍（14dB）放大的功能； 第三部分：功率放大模块。采用驱动负载能力较大的THS3091D放大器实现，其压摆率高，且能支持±5V±15V的供电，THS3091D能够驱动50负载电阻。本级实现信号的约3倍（8dB）放大的功能；第四部分：单片机显示模块。输入为正弦波时，数字显示放大器输出电压的峰峰值和有效值；第五部分：电源变换模块。采用升压型DC-DC变换器TPS61087设计的开关电源，为末级放大电路提供+18V直流电源。输出检波F430 2274单片机显示电源OPA820ID（20dB）OPA820ID（14dB）THS3901（约8dB）DC-DC变换器TPS61087电源AC-DC 直流电源电源2、系统总体框图 信号输入 信号输出AC220V输入 DC+5V二、理论分析与计算1、增益分配：本题目要求放大器电压增益40dB(100倍)，最大不失真输出电压峰峰值10V，根据公式：电压增益=20lg|Av|dB，以及通过实验，为了消除自激，我们最终采用三级放大，算出|Av|=|Av1* Av2* Av2|100，初级由0PA820D实现20dB的放大，中间级由0PA820D实现14dB的放大，末级放大由THS3091D实现约8dB的放大。因此，给第一级放大电路分配10倍增益，给第二级放大电路分配5倍增益，给末级放大电路分配约3倍增益。由此可以算出电阻比值，对于反相放大电路，公式为：Av=RfR1。2、带宽增益积（GBP）：带宽增益积是衡量放大器性能的一个参数，这个参数表示的是增益和带宽的乘积，即GBP= A*BW，题目要求在最大增益下，放大器下限截止频率fL不高于20Hz，上限截止频率fH不低于5MHz（扩展上限频率不低于10MHz），所以，带宽BW=fHfL。3、放大器稳定性： 放大器稳定性是指在其带宽范围内幅频曲线的稳定性。 提高放大器的稳定性，可以采用相位补偿的方法，增加其零点，抵消极点来实现。 在调试过程中，在电压反馈型运放OPA820ID，我们引入电容进行相位补偿；对于高速、宽带的电流反馈型运放THS3091D，我们特别注意了走线布局，如反馈环一定要走最短路线，因为长的线也会引起更大的附加相移；计算选择了合适的反馈电阻阻值，使其不因阻值太大而产生更大的分部电容，导致更大的附加相移，也不因阻值太大而降低放大器的带宽。另外，合理排板、布线，有效地抑制了高频自激，改善了放大器的稳定性。 为了尽可能的降低放大器的输出噪声，我们降低了输入阻抗（用两个100的电阻并联成50的电阻）。另外在设计各个模块时，我们综合运用了多种方法以降低噪声，比如用三极管有源稳压、滤波以及电感，电容滤波等。三、电路与程序设计1、前级放大电路的设计： 题目限定采用高速运算放大器OPA820ID作为第一级放大电路，它有如下特性：OPA820ID是一种单位增益稳定低噪声电压反馈运算放大器，它拥有2.5nV/Hz的低噪声，+5V +12V的单电源供电，当增益为+2时，带宽高达240MHz。实现10倍电压增益放大。满足题目要求，所以适合采用。 本级电路中，采用由电子稳压滤波的+6.8V单电源直流供电。电路中，反馈电阻R11（1K）上并联C34（5PF）电容，能有效消除高频自激。具体电路如下图所示：2、中间级放大模块的设计： 由于在设计调试时，为了增加有效带宽，所以考虑再加一级放大，结合资料，最终加入能实现5倍放大的OPA820ID作为中间级放大电路。本级电路中，采用由电子稳压滤波的+10V单电源直流供电。电路中，反馈电阻R12（1K）上并联C9（5PF）电容，能有效消除高频自激，使放大器能够稳定地工作。具体电路如下图所示：2、末级功率放大电路的设计： 功率放大采用THS3091D来实现2倍电压增益放大。THS3091D为单路高压低失真电流反馈运算放大器，具有7300V/s高压摆率，±5 V ±15 V的宽供应电源，当增益设为2时，其带宽为210MHz。本级电路中，采用升压型DC-DC变换器TPS61087设计的开关电源，为末级放大电路提供+18V直流电源。功放的具体电路图如下所示：3、电源设计：按整体设计要求，需要一个AC-DC的直流电源，提供+5V直流电源，另外还要用DC-DC变换器，采用TPS61087DRC设计一个升压电源为末级放大电路供电。TPS61087是一个具有强制 PWM 模式的 18.5V、3.2A、650kHz/1.2MHz 升压 DC-DC 转换器。在本设计中，我们通过匹配反馈电阻，使输出电压达到了+18V，这样更有利于放大电路最终的10V峰-峰值输出电压的实现。电路如下图所示：四、系统方案与测试结果1、测试仪器清单序号仪器名称型号1函数信号发生器EE1641B2模拟示波器VD252M3直流稳压电源YB1732A3A4数字万能表VC930F2、测试方法与数据测试方法：准备阶段：将函数信号发生器的50欧函数信号输出口接被测放大器的输入端，输出幅度调为0.2V，频率调为1kHz做标准，先用示波器接输入，查看电压峰峰值是否为 0.1V。因为函数信号发生器内涵50欧电阻与输入端100欧电阻和100欧电阻并联产生的50欧电阻分压，使输入端电压值为信号发生器上电压值的一半。 测试阶段：被测放大器的输出端接示波器，先调整信号源频率为1kHz，调整输入信号电压，使输出电压峰峰值为10V，作为频率特性的参考点。然后调节频率（20Hz10MHz），观察示波器上电压峰峰值，并记录在下表中。测试表格：频率（）20100500510Ui（）0.18V，实际输入电压为0.09VUo（）8.49.810101011.611.611.2AV（dB）39.440.841414142.642.642.2频率特性-1.6-0.2000+1.6+1.6+1.23、测试结果分析从测试数据可以看出：在测量频率范围内，电压峰峰值在-1.6dB+1.6dB，在输出50负载电阻上，放大器最大不失真输出电压峰峰值10V。达到题目基本要求和发挥部分要求。五、总结综合上述各部分的测试结果：本设计圆满完成了题目基本部分的要求，还较好地完成了题目发挥部分的要求。各种降低噪声措施的综合应用保证放大器稳定工作并且降低了噪声。通过这几天的设计竞赛，我们不但增强了实践能力和协作精神，而且懂得了理论联系实际的必要性，使我们受益匪浅。本系统综合应用了电容、电感和电子稳压滤波等抗干扰措施以抑制放大器的噪声。通过设计电路，安装、调试电路，我们深刻地感受到：在设计和制作高频电子产品时，除了电路设计正确，元器件选型合理外，合理的排板、布线，在某些时候显得更为重要，能够有效抑制高频自激，改善了放大器的稳定性，较好的实现了设计的要求。当然，由于我们的知识与实践有限，还存在一定的问题，有点遗憾，为此我们会在将来的设计中进一步提高，最后非常感谢学校的培养以及全国大学生电子设计竞赛委员会及TI公司给予我们的这次锻炼机会！六、附录1、参考文献（1） 康华光主编 .电子技术基础模拟部分（第五版） 高等教育出版社（2） 高吉祥主编 全国大学生电子设计竞赛培训系列教程模拟电子线路设计 电子工业出版社（3） 谢子美主编 电子线路设计-实验-测试（第二版）华中科技大学出版社 （4） 李朝青编著 单片机原理及接口技术（第三版）北京航天航空大学出版社 20052、该系统电路原理图3、电源电路原理图