宽带放大器Word格式文档下载.docx
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点是成本低廉，易于购置。
为了满足固定增益40dB的要求，可以采用多级放大电路实现。
但时是大量采用分立元件比较容易在高频时产生自激振荡，可能会增
加电路的调试时间，同时短时间内手工制作难以保证可靠性及指标。
方案二：
使用OPA820作为阻抗匹配和前置放大器，中间级用VCA810动态调节增益。
此方案电路简单，可靠性高。
VCA运放的压控放大特性更增加了整
个电路的可控动态范围至-20dB-60dB,既可以方便的做进一步的幅值微调和增益提高；
也可以配合测量的峰值形成AGC电路。
综上，我们采用方案二，设计简洁高效灵活稳定的放大电路。
1.1.2功率输出电路的方案
使用功率三极管和普通的运放组成升压输出复合放大器，这种电路可以将运放的标称摆幅扩展的更大，同时将负载驱动提升到100mA以上。
优点是摆幅可以很大，缺点是调整不慎会有失真。
THS3091D作为末级功率放大电路。
THS3091D的各项指标均满足题目的要求，只需一个运放就能满足功率输出要求，并且电路稳定可靠。
综上，我们选择THS3091作为末级功放。
1.1.3测量输出峰值和有效值的方案
热电偶测量法。
热电偶测量法是根据交流有效值的物理定义来实现测量的，利用热电偶电路平衡原理通过两端的电势比较得到有效值。
但热电偶转
换是非线性的且热电偶配对较难、响应速度慢、过载能力差。
使用RMS转DC集成芯片，如AD637。
其优点是集成度高，使用方便，缺点是按照说明手册所言其最大的带宽仅为8MHz，不能满足10MHz正弦波幅值检测的要求。
方案三：
使用高速的ADC采集信号然后送单片机处理。
以等效采样的方式送MSP430处理。
但是全功率带宽大于10MHz且精度满足要求的ADC价格高,位数低的ADC其精度又不够理想。
方案四：
使用峰值检测器。
合理选择漏电流低的二极管和电容，并配合相应带宽的运放，构成一个实用又精确的检波电路。
电容量的选择决定了带宽限制。
综上我们选择方案四，同时利用AD637测量低频信号的有效值。
1.1.4电源管理的方案
使用线性稳压器件。
线性稳压电源。
其中包括并联型和串联型两种结构。
并联型电路复杂，效率低，仅用于对调整速率和精度要求较高的场合；
串联型电路比较简单，效率稍高，虽然方便可靠，但还是满足不了高效率的要求。
而且线性稳压器件无法升压和产生负压，满足不了题目的要求。
使用TPS61087升压，然后用开关型负压转换器将升压后的正压转成负压使系统在双电源的情况下工作，以取得最大性能。
此方案效率高，能以单电源供电，且集成开关稳压芯片应用方便。
综上所述，我们采用方案二。
1.2方案描述
ITPS61087升压+负压转换器
图1.系统框图
如图1所示，本放大器由前置放大、中级放大、末级功率驱动、峰值检测、电源管理及人机界面这些模块所组成。
本方案全部以TI的相关芯片作为电路的核心。
它们包括运算放大器类的
OPA820，VCA810，THS3091;
数据转换器类的DAC8043，TLC2543;
电源管理类的TPS61087;
MCU类的MSP430。
2理论分析与计算
2.1带宽增益积
带宽增益积（GBP）是这是用来简单衡量放大器的性能的一个参数，这个参数
表示增益和带宽的乘积。
按照放大器的定义，这个乘积是一定的。
题目中要求放
大器最大电压增益大于等于40dB,即Gain=100V/V。
放大器的通频带0〜10MHz,所以本放大器的带宽增益积：
单个放大器很难达到1G,所以我们考虑多级放大器级联。
查阅手册，OPA820的GBP为280M，级联上后级的VCA810和THS3091,足以达到题目要求。
2.2带内平坦度控制与噪声的降低
本设计中，要求尽量减小带内波动，我们采用了两种方法：
一、合理的选择器件，选择带宽增益积较大的器件如VCA810来作为中间级放大调理的器件，控制VCA810增益值的DAC参考输入选用基准源电压；
二、对于电流反馈型运放，通过合理选择反馈电阻Rf的取值，在0~10MHz内提供较好的信号保真度。
这可以参看数据手册的相关说明。
本设计要求尽可能降低放大器的输出噪声，我们采取的方案有：
（1）放大器板上所有运放电源线及数字信号线均加电容滤波。
安装时尽量靠近IC电源和地的引脚以减小引线的电感对滤波的不利影响。
（2）所有信号耦合为直流耦合，串联50Q电阻减小阻抗不连续。
（3）需要在板与板之间传输高频模拟信号时用同轴电缆。
信号输入输出使用BNC接头连接以使传输阻抗匹配，并可减少空间电磁波对本电路的干扰。
（4）数字电路部分和模拟电路部分的电源和地严格分开。
2.3峰值的检测与AGC
峰值检测器的作用是提取输入的峰值，并产生输出Vo=Vi（peak）
图2.峰值检波仿真图电容101，102高频用101
它共有四个模块：
（a）用来保持最近峰值的模拟存储器，即电容器；
（b）
当一个新的峰值出现的时候，用来进一步对电容充电的单向电流开关；
（c）当一
个新的峰值出现时，使电容电压能够跟踪输入电压的器件，即电压跟随器；
（d）.能周期地将Vo重新置零的FET开关（可选）。
图2为其基本原理图。
对于低频应用，我们的精度提高主要受到电容和二极管漏电流的影响。
对于高频应用，我们主要受到运算放大器的转换速率和电容充放电速率的限制。
其中充电速率可以这样推导：
rpOXdtIq
S"
—=-（2-2）
TCk7
可见，运放的最大输出电流Io越大，充电电容C越小，高频精度越高。
综上，宽带、低输入偏置电流、高电流输出和高压摆率的运算放大器是首选，而漏电流低的电容和二极管是首选。
当然在实际的应用中总是存在一些折中。
另外，实际测量中，我们发现所选二极管的导通压降在测量范围内基本恒定，故我们没有接入反馈电阻，以免引入的反馈环路极点对电路造成不必要的影响。
3电路与程序设计
3.1电路设计
3.1.1增益放大电路设计
图3.前置放大电路
我们使用OPA820作为前置放大器。
参考电路如图3所示。
R1为50Q阻抗匹配电阻，R2为热噪声补偿电阻。
因为第一级的失调电压对整个系统的直流精度有很大的影响，所以需要Rp1和R3补偿失调电压。
增益调节部分我们使用压控增益放大器VCA8100VCA810在宽频带工作模
式下，增益控制范围为-40dB〜+40dB,信号带宽典型值为35MHz。
且控制电压与增益dB数成线性关系，所有指标满足设计要求。
如图5所示，Rp2与R8组成的电路调整失调电压；
在V_con端输入控制增益的电压；
50Q为阻抗匹配电阻。
3.1.2功率输出电路设计
信号经过压控放大以后进入功率放大模块。
功率放大器THS3091将信号放
大大约5倍并驱动50欧姆负载。
具体电路如图5所示。
3.1.3峰值检测电路设计
峰值检测电路如图6所示。
将输入的信号通过电阻网络分压，并利用继电器，可针对不同的输入电压值选择最佳的量程从而提高测量的精度。
图6.峰值检测电路
峰值检测器的电容上的采样峰值经运放缓冲后，通过MSP430控制TLC2543
采样，然后送单片机处理，如图
7所示。
图7.峰值采样电路
3.2程序设计
软件主要实现数字调节及显示功能。
为了减少功耗，并降低数字系统对模拟信号的干扰，控制数据设置完成之后，将微控制器设为低功耗模式。
键盘输入采用中断模式，而不是查询模式，这样键盘输入完成后，数据端口处于静态，这样可以大大降低数字系统对模拟信号的干扰。
软件流程如图8所示。
图8.软件流程图
峰峰和有效值的测量的算法采用了MATLAB的拟合直线法来提高精度，缺省的拟合直线精度为2阶。
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
4.1.1测试仪器
（1）DS5102MAE数字示波器
（2）F40函数信号发生器（3）DA22B超高频毫伏表（4）Agilent34401A六位半万用表
4.1.2测试方案
（1）放大器信号增益选定为40dB,Vinp-p=100mV，Freq=10KHz。
观察输出波形。
然后改变输入信号的频率，观察带内的波动。
（2）使用示波器观察可放大最低频率并用交流毫伏表测量输出有效值，高频毫伏表测量3dB截止频率对应的最大可放大频率。
（3）用示波器和高频毫伏表在50欧姆负载两端测量10Voutp-p时各频点的失真情况。
（4）在40dB增益时测量输出的偏移电压大小；
观察各频点噪声情况。
（5）测量并记录各频点在各幅值点（0.5V1V2V5V10V）的输出测量值，并与毫伏表的测量结果对比。
（6）使能电路AGC功能，观察输入信号在一定的范围内缓慢变化时，放大器能否保持指定的峰峰值输出。
4.2测试结果
4.2.1测试数据
放大器输入频率范围与输出幅值波动测量：
Vgain=40dB，Vinp-p=100mV，
Rload=50Q，毫伏表误差：
土3%
表1放大器输入频率范围与输出幅值波动测量
3Hz
10Hz
20Hz
100Hz
1kHz
7.00V
9.60V
10.0V
10.2V
9.92V
100KHz
1MHz
3MHz
5MHz
7MHz
9.68V
9.84V
9.76V
9MHz
10MHz
20MHz
30MHz
40MHz
9.74V
9.28V
9.12V
8.74V
输出电压有效值和峰峰值测量：
Rload=50Q,毫伏表误差：
表2峰值检测
峰峰值频率
0.5V
1V
2V
5V
10V
显示
实际
实际
显示
4KHz
465mV
500mV
0.934mV
I1V
1.84
4.655
9.24
10KHz
499mV
0.989mV
1.97
4.93
9.86
0.990V
1.99
4.96
9.888
2MHz
498mV
0.988V
1.96
4.95
9.887
504
0.997V
1.98
4MHz
0.998V
9.885
503
6MHz
502
1.94
0.996V
4.94
9.882
8MHz
501
0.995V
1.93
1.90
4.91
499
0.989V
1.88
4.89
9.70
使能AGC,输入指定的参考幅值，观察到输出幅值基本不随输入信号幅值的变化而变化，稳定在参考的幅值上。
最后测实验结果为能稳定的追踪100mV
到4V的输入参考。
422数据分析
由表1的数据知，放大器的3dB带宽为3Hz到40MHz以上。
Voutp-p在通频带内基本稳定于10V，带内波动非常小。
这些已完全超过题目的要求。
进一步的提高主要限制于器件的低频响应与VCA标准的35MHz带宽及相关的布局设计。
由表2的数据可知，在2MHz到9MHz的范围内，峰值有效值测量的误差为1%~3%。
另外，当输入信号幅值改变比较缓慢时，AGC的功能演示也比较正常。
4.3测试结果分析
作品达到了题目所有基本和扩展功能的要求，并有一定的扩展：
（1）最大电压增益50dB，输入电压有效值大于10V。
（2）尽可能降低放大器的输出噪声；
（2）带宽为3Hz到40MHz以上，实际高频截止频率受仪器限制没有测试。
（3）电压增益Av可预置并显示，预置范围为0dB到40dB。
频带内增益起伏w1dB。
（4）通过制作开关电源来提高电源效率。
（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,在输入频率为2MHz到8MHz时，测量相对误差小于5%
（6）电路可在不增加硬件的条件下实现AGC功能。
5参考文献
[1]宋树祥（主编）.高频电子线路•北京：
北京大学出版社，2007
[3]（美）WaltJung等编著•运算放大器应用技术手册.北京：
人民邮电出版社，2009
[4]（美）塞尔吉欧・弗朗哥编著.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计.西
安：
西安交通大学出版社，2004
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