单电源+5V带宽放大器的设计
摘 要：本设计是基于单片机(msp430f169)和模拟放大电路相结合而成的系统，用于对宽带电压的放大，其带宽设置在20Hz到10MHz。运算放大部分采用三级放大,OPA820ID、AD603、THS3091D分别作为第一级、第二级、第三级，实现电压Vi到Vo电压增益≥40dB（100倍）。经放大后的电压Vo经过检波器AD637检波之后得到模拟电压（电压Vo的有效值），然后用单片机内部的A/D转换模块将模拟电压转换为数字电压，并进行数据处理，最终将数据结果(电压峰峰值和有效值)送到LCD1602显示。本系统涉及到高频信号的传输，必然会在模拟电路部分产生较大干扰，并产生较大输出噪声，影响输出信号效果，所以需要采用一些去干扰措施。
一、 系统方案比较与论证 (1)/系统设计
整体设计共分为四个模块：单片机控制模块，运算放大模块，检波模块 ，显示模块。其系统方框图如下所示： DC-DC变换 反向跟随器 AD811 供电
前 置 放大中间放大级末级功率放大AD637检波 OPA820 AD603和AD811 器THS3091D 有 效值
LCD1602液晶显示 msp430f169单片机
图一 (2)、放大模块电源供电方式
方案一：采用单电源供电。运放使用单正电源供电，不会有负电压输出。若不对输入信号进行适当处理，运放输出端不会输出负电压，后面AD637检波处就不能检测出正确的电压峰峰值。因此，本方案比较复杂，容易引进更多噪声。 方案二：用正负双极型电源供电。输入正弦波时，不进行信号的处理，对信号放大之后不会出现严重失真，且设计中采用的AD603放大模块和AD637检波芯片必须采用双电源供电。这样模拟单路部分处理较简单，易实现。 综上，本设计选择方案二供电方式。 整体电源模块设计框图如下：
THS61087 +12V THS3091 供电 +5V -12V MC33603 -5V KA7905 前级运放供电 图二 1
(3)、中间放大级方案论证
方案一：采用三极管构成多级放大电路实现≥40dB的增益，并使用分立元件自行搭建后级功放。本方案成本低，但晶体管配对困难，电路设计复杂，增益的步进调节难以实现，工作点调试繁琐，且电路稳定性差，容易产生自激现象。 方案二：采用集成宽带的可调增益放大器。以AD603为例，单片AD603可以有40dB的可调增益范围，在-11～31dB的模式下有90MHz的带宽，增益精度为±0.5dB，可以很好的满足需求；另外，其他同类芯片在带宽上达不到要求，且级联过多容易加大系统不稳定因素。
比较上述两种方案：方案一外接电路较多，调试比较困难，容易带来误差，方案二采用集成芯片，其外围元件少，电路简单，能够很好的满足要求，所以本设计选择方案二。
二、模块理论分析与计算 1．带宽增益积分析
由于多级放大电路的通频带比组成它的每一级的通频带窄，所以在芯片选型和电路设计中要分析带宽增益积，合理地配置各级的增益和带宽。主要指标分配为：
(1)前级运算放大器：增益6dB，在G=2时带宽为240MHz； (2)中间放大级：增益9dB， 带宽>30MHz； (3)末级放大级：增益6dB， 带宽>20MHz。
这样设计的宽带放大器增益范围可以大干40dB，频带宽度大于1OMHz。 2．零点漂移分析
因为设计的放大器要求对直流有放大功能，多级放大极大可能产生严重的零点漂移，因此要求严格控制零点漂移。初级OPA820ID可串联同相跟随器，提高 放大器的输入电阻，有效抑制输入信号的零点漂移。中间级的零点漂移不可忽略，AD603的电压偏移最大为20mV，经过40dB放大理论上可以产生最大2V的输出失调电压，因此必须进行调零。末级功率放大使用THS3091D，15V供电时的最大零点漂移为6mV，作大信号放大使用时可以忽略，但是若前级为衰减，这项的影响将十分显著。因此对THS3091D也要进行调零。 3．放大器稳定性分析
由于采用三级放大器级联的方式，为了减少高频自激和消振困难，在相邻的放大器之间加入电压跟随器作隔离；同时，为了消除内阻引起的寄生震荡，可以在运放电源端就近接去耦电容。为了除去外界磁场的干扰，可以将模拟模块放置在一个铝制金属盒中；在系统模块工作过程中，必然会有相关芯片产生热量，芯片温度升高必然就会影响系统的正常工作而引起波形失真，得不到想要的结果，对此可以采用一外置小型电扇对芯片进行散热；另外，在电路板焊接的过程中，整体布局要合理、导线走向要简单、导线长度应尽可能的短，避免高频时连接线之间的干扰；每一级以及电路电源部分均加入电源滤波电容，滤去杂波，尽可能的确保电源少污染、无污染。 三、电路分析
系统的主要模块为电源模块与放大模块，放大模块包括前、中、末级三级放大电路。
1、 电源模块
电源模块是系统的核心模块之一。该模块采用DC-DC变换器TPS61087及
2
MC33063为末级运放THS3901分别提供±12V的供电电压，-12V的电压通过三端集成稳压管7905，得到-5v的电压，与输入的+5V电压为其他各级的运放供电。DC-DC变换器TPS61087的电压转换电路如图三所示。
图三
2、初级高速运算放大器OPA820ID
前级放大电路由电压反馈运算放大器OPA820ID组成，由增益公式Av=1+Rf/Rl,可得增益大约为15dB(即取一级放大倍数G=7),3dB带宽为200MHz,并在其反向输入端并联50Ω电阻到地，实现输入阻抗匹配；输入直流电源±5V分别通过小电容接地，实现对电源中杂波的滤除。
图四 3、中间放大级AD603
信号的放大倍数主要集中在第二级，其增益的调整与其自身电压值 无关，而仅与其差值Vg(1脚和2脚的电压差)有关，增益G=40*Vg+10。1脚与2脚分别连接在两个不同的电位器上，且均调节可变，差值Vg有较强的可变性，从而可以调节此级的电压增益G灵活的改变。 设计AD603的增益，可设置为三种形式。
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模式一：将VOUT与FDBK短路，即为宽频带模式（90MHz宽频带），AD603的增益设置为-11.07dB~+31.07dB.
模式二：VOUT与FDBK之间外接一个电阻REXT，FDBK与COMN端之间接一个5.6uF的电容频率补偿。根据放大器的增益关系式，选取合适的REXT，可获得所需要的模式一与模式三之间的增益值。当REXT=2.15千欧时，增益范围为-1~+41dB。
模式三：VOUT与FDBK之间开路，FDBK对COMN连接一个18uF的电容用于扩展频率响应，该模式为高增益模式，其增益范围为+8.92~+51.07dB，带宽为9MHz.
此处为了满足上述设计要求，我们选择模式二。
图五 4、末级放大级THS3091D
芯片THS3091D此处采用电流反馈起功率放大的作用，它具有较低的失调电流和失调电压，可以抑制直流零点漂移，为电路正常工作提供相应的功率。
图六
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四、程序设计:
本系统软件部分是基于msp430f169的单片机平台，其作用是完成对数字的采集，并对数字进行软件处理，最终将处理数字送出显示。msp430f169是低功耗模式的单片机，当不做什么特殊处理时，单片机便进入低功耗模式。在低功耗模式下，当有相应的中断时，单片机便被唤醒进入工作状态。本系统的单片机部分设计如下： 开始
初始化 进入低功耗模式 内部A/D采 N 样中断
Y 单片机内部 A/D 采样并 进行内部数据处理
定时器
t=0.5s
峰峰值与有效值在LCD1602
显示
五、系统测试 5.1 测试仪器
测试仪器清单如下表一所示。 仪器名称 型号 指标 可跟踪直流稳压电源 SS1792A 0-30V,0-3A DDS函数信号发生器 TFG2030V 40MHz 双踪示波器 TDS210 40MHz 数字万用表 VCA9807 四位半 表一 测试仪器清单
5
5.2 测试方法
通过函数信号发生器产生信号，由双踪示波器分别观测系统的输入输出信号，并记录。 5.3 测试数据
测试结果记录如下表所示。
频率 10mv 30mv 50mv 70mv 100mv 幅度
100k 1.02v 2.45v 4.95v 6.94v 9.74v 500K 1.01v 2.52v 4.96v 6.95v 9.80v 1M 0.98v 2.34v 4.91v 6.98v 9.71v 2M 0.v 2.02v 4..50v 6.50v 9.20v 3M 0.85v 1.98v 4.08v 5.v 8.98v 5M 0.61v 1.85v 3.06v 4.02v 6.50v
总结：
我们在这比赛当中遇到的问题算是蛮多的，本次设计过程中,我们遇到的主要问题是三级放大模块部分和电源模块设计，其中涉及到电阻、电容等外界电路选取，及其调试过程，对三个放大模块我们采取逐级设计调试，目的在于确保各模块无明显失真，输出噪声尽可能的小，如此才能尽可能的确保整个放大系统输出较好的波形。除干扰在此次设计中也是非常突出的问题，用电扇降低芯片温度、用金属铝盒屏蔽模拟电路部分带来的效果，在这次试验中深有体会。
在本次设计竞赛过程中，我们组的队员紧密团结，精诚合作，最终完成了设计任务。通过本次比赛，我们不仅增强了动手能力、加深了理论知识的理解和认识，还学到了许多大学课堂学不到的知识，并深刻体会到共同协作和团队精神的重要性。此外，我们还意识到自己在软件编程上有所欠缺，有待今后不断地学习和努力。
此次区内的大学生电子竞赛我们学校的同学都觉得收获许多，4天三夜很长很长也很短很短。
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