設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)5 V單電源供電的寬帶放大器基本功能。核心部分采用高速運(yùn)算放大器OPA820ID作為一級放大電路，THS3091D作為末級放大電路，利用DC-DC交換器TPS61087DRC為末級放大電路供電，在輸出負(fù)載50 Ω上實(shí)現(xiàn)電壓增益等于40 dB。該放大器通頻帶范圍10 Hz～10 MHz，系統(tǒng)最終可利用示波器測量輸出電壓的峰峰值和有效值，并利用MSP430單片機(jī)控制1602液晶顯示輸出數(shù)據(jù)的功能。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，而且綜合應(yīng)用了電容去耦、濾波等抗干擾措施以減少放大器噪聲并抑制高頻自激。經(jīng)驗(yàn)證，本方案完成了設(shè)計(jì)要求和部分?jǐn)U展功能。
1 方案論證與系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 方案論證
直接使用集成高電壓輸出運(yùn)放OPA820，放大器通頻帶從20 Hz～10 MHz，并能驅(qū)動(dòng)50 Ω的負(fù)載，單純用音頻放大的方法來完成功率輸出。同時(shí)要做到在輸出負(fù)載上放大器最大不失真輸出電壓峰峰值≥10 V的難度較大，故采用DC-DC變換器TPS61087DRC為末級THS3091放大電路供電，最終設(shè)計(jì)這款高速寬帶放大器。本方案簡單易行，由于采用單芯片，所以系統(tǒng)體積較小。
1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
利用模擬電子技術(shù)和單片機(jī)信號采集處理技術(shù)，最終完成增益控制及輸出顯示。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
2 模擬電路設(shè)計(jì)
利用TI公司的模擬仿真軟件Tina，設(shè)計(jì)出5 V和15 V電源電路和三級放大電路，并利用峰值檢測電路的輸出經(jīng)單片機(jī)采樣處理后液晶顯示。Tina仿真軟件模擬出上述電路40 dB時(shí)的通頻帶范圍為10 Hz～10 MHz。圖2所示為三級放大電路的通頻帶圖。
圖2 三級放大電路的通頻帶圖
2.1 放大電路
采用OPA820作為一級、二級放大電路，THS3091作為末級放大電路。三級放大倍數(shù)分別為5倍、5倍和4倍。其中末級電路通過兩個(gè)可調(diào)電阻來控制放大倍數(shù)和保證輸出信號的不失真。圖3所示為基于OPA820和THS3091芯片設(shè)計(jì)的三級放大電路。
圖3 基于OPA820和THS3091芯片設(shè)計(jì)的三級放大電路
2.2 峰值檢測電路
由于通頻帶范圍中有低頻和高頻兩種不同輸入，所以采用兩種不同檢測電路。低頻峰值檢測電路可參考專業(yè)書上的具體電路，高頻峰值檢測電路在此利用TPS61087芯片仿真設(shè)計(jì)出的電路，如圖4所示。
圖4 高頻峰值檢測電路
3 MSP430單片機(jī)控制液晶輸出設(shè)計(jì)
3.1 MSP430單片機(jī)和液晶
MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器。使用了MSP430F149型號的單片機(jī)，利用A／D采樣峰值檢測電路的信號，編程處理后最終完成在1602液晶上顯示輸出電壓峰峰值和有效值數(shù)據(jù)的功能。為了減少功耗，并降低數(shù)字系統(tǒng)對模擬信號的干擾，采樣完成后，將微控制器設(shè)低功耗模式。同時(shí)為了實(shí)時(shí)采樣后數(shù)據(jù)顯示不會(huì)閃爍，編程時(shí)利用定時(shí)器定時(shí)1 s后中斷，使液晶每隔1 s才顯示一次采樣數(shù)據(jù)。電路如圖5所示。
圖5 單片機(jī)和液晶電路圖
3.2 軟件流程
軟件流程，如圖6所示。
圖6 軟件流程圖
4 性能測試與分析
測試儀器有：泰克公司TS1002 160 M數(shù)字示波器和RIGOL DS1022 20M信號源。
測試方法主要分3步：（1）連接+5 V、+15 V電源，在輸入端接入信號發(fā)生器信號。（2）輸入通頻帶范圍為10 Hz～10 MHz，電壓峰峰值0～100 mV的信號，測試通頻帶內(nèi)是否平坦。（3）改變輸入電壓的頻率和有效值，分別記錄輸出電壓的峰峰值和有效值。
相關(guān)測試數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 40dB時(shí)輸入輸出測試
如表1所示，放大器在預(yù)置帶寬為10 Hz～10 MHz、最大增益為40 dB的時(shí)候，通頻帶內(nèi)很平坦。此時(shí)最大不失真輸出電壓約為10.20 V。經(jīng)測試，該電路最大增益為42 dB。制作和調(diào)試出的實(shí)物圖如圖7所示。
圖7 實(shí)物圖
5 結(jié)束語
本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)5 V單電源供電的寬帶放大器基本功能，完成了系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)，解決了較難在輸出負(fù)載上不失真輸出電壓峰峰值≥10 V、輸出電壓的峰值檢測、A／D采樣顯示等問題。