基于MSP430的直流寬帶放大器設(shè)計(jì)
摘要： 本文給出了一個(gè)5 V單電源供電的寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，增益、帶寬、帶負(fù)載能力以及輸出電壓峰峰值等指標(biāo)都能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。為解決寬帶放大器的自激問(wèn)題及減小輸出噪聲，采用了多種形式的抗干擾措施，抑制噪聲，改善放大器的穩(wěn)定性。
Abstract：
Key words :
隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，人們迫切地要求能夠遠(yuǎn)距離隨時(shí)隨地迅速而準(zhǔn)確地傳送多媒體信息。于是，無(wú)線通信技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，技術(shù)也越來(lái)越成熟。而寬帶放大器是上述通信系統(tǒng)和其他電子系統(tǒng)必不可少的一部分，低噪聲放大電路模塊很大程度上決定了系統(tǒng)的整體指標(biāo)。由此可知，寬帶放大器在通信系統(tǒng)中起到非常重要的作用，于是人們對(duì)它的要求也越來(lái)越高。
1 總體設(shè)計(jì)方案
1．1 寬帶放大器設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)
寬帶放大電路的設(shè)計(jì)中主要考慮增益、通頻帶、動(dòng)態(tài)范圍，穩(wěn)定性等。這里設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)如下：
(1)用5 V單電源供電，輸出為50 Ω阻性負(fù)載；
(2)放大器電壓增益大于等于40 dB(100倍)，并盡量減小帶內(nèi)波動(dòng)；
(3)在最大增益下，放大器下限截止頻率不高于20 Hz，上限截止頻率不低于10 MHz；
(4)在輸出負(fù)載上，放大器最大不失真輸出電壓峰峰值大于等于10 V。放大器輸入為正弦波時(shí)，可測(cè)量并數(shù)字顯示放大器輸出電壓的峰峰值和有效值。
1．2 總體方案描述
系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由4個(gè)部分構(gòu)成：前置放大電路、可控增益放大電路、后級(jí)功率放大電路和單片機(jī)顯示控制模塊。第一級(jí)用OPA820ID構(gòu)成的放大電路增益為6 dB，實(shí)現(xiàn)了輸入阻抗匹配；可控增益放大電路由VCA810組成，實(shí)現(xiàn)了-40～+40 dB的動(dòng)態(tài)增益變化；后級(jí)放大電路增益為14 dB；單片機(jī)顯示控制模塊完成對(duì)VCA810的控制以及輸出電壓檢測(cè)功能并用液晶顯示輸出電壓的峰峰值和有效值。
圖1 系統(tǒng)組成框圖
1．3 電路設(shè)計(jì)
前級(jí)放大電路由OPA820ID組成，OPA820是單位增益穩(wěn)定低噪聲電壓反饋運(yùn)算放大器，具有特點(diǎn)是：高帶寬(240 MHz，G=+2)；高輸出電流(±110 mA)；低輸入噪聲；完美的電流準(zhǔn)確性，25℃輸入偏置電壓=±750μV，輸入偏置電流為±400 nA信號(hào)從同相端輸入，增益為(1+R17／R18)=2倍，為6 dB。電路如圖2所示。
選用TI公司生產(chǎn)的集成壓控增益放大器VCA810作為主增益控制，壓控增益放大器的增益與控制電壓成線性關(guān)系，控制電壓由單片機(jī)控制DAC產(chǎn)生。VCA810具有-40～+40 dB的增益控制范圍，精度達(dá)到1 dB，帶寬25 MHz。如圖3所示。
末級(jí)放大電路由THS3091 D構(gòu)成，THS3091D是高輸出電壓低失真的電流反饋運(yùn)算放大器。具有特點(diǎn)是：高帶寬(210 MHz，G=2，RL=100 Ω)；高輸出驅(qū)動(dòng)電流(250 mA)；低失真、低噪聲；高供電電源范圍(5～15 V)；信號(hào)從同相端輸入，增益為1+1 000／250=5倍。輸出采用兩個(gè)THS3091并聯(lián)的方式，增加驅(qū)動(dòng)能力。如圖4所示。
峰值電壓檢測(cè)電路采用高頻三極管組成射級(jí)跟隨檢波電路，三極管包絡(luò)檢波器具有一定的放大作用，Kd>1，同時(shí)還使輸入電阻Rid增大為二級(jí)管檢波器的(1+β)倍。檢測(cè)得到的峰值通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)顯示輸出電壓的幅值。檢波電路如圖5所示。
圖5 射極跟隨檢波電路
采用DC／DC定電壓隔離非穩(wěn)壓模塊A0512S-2W，將5 V單電源變換成±12 V，再利用穩(wěn)壓模塊變換成±5 V電源，給前兩級(jí)放大器供電。電路如圖6所示。類(lèi)似地，用定電壓隔離模塊A0515S-2W，將5 V變換至±15 V電源為末級(jí)放大器供電。如圖6所示。
圖6 5 V變換至±5 V電源電路
1．4 理論分析與計(jì)算
(1)增益分配。為實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，系統(tǒng)第一級(jí)為輸入緩沖級(jí)，為了擴(kuò)展系統(tǒng)的通頻帶，輸入緩沖級(jí)增益為6 dB。VCA810的增益調(diào)節(jié)范圍為-40～+40 dB，最高的線性增益誤差只有0．3 dB／V，末級(jí)放大電路設(shè)計(jì)了增益為14 dB，這樣整個(gè)放大電路的增益為-20～+60 dB可調(diào)。 VCA810最大輸出電壓峰峰值為3．6 V，后級(jí)放大器增益為5倍，可以使最大不失真輸出電壓峰峰值大于等于10V。
(2)通頻帶分析。前級(jí)放大芯片選用OPA820ID，其增益為2的時(shí)候，帶寬為240 MHz，帶寬增益積為480 MHz。VCA810的帶寬為固定的25 MHz而末級(jí)的THS3091D的帶寬增益積為420 MHz，當(dāng)增益為2時(shí)，帶寬為210 MHz。由以上分析可知，整個(gè)系統(tǒng)上限截止頻率不低于10 MHz。另外，三級(jí)電路采用的是直流耦合方式，下限截止頻率不高于20 Hz。該系統(tǒng)選用的高速、寬帶運(yùn)放，使信號(hào)在通頻帶內(nèi)的增益更加平坦。
(3)線性相位。為了使系統(tǒng)在整個(gè)通頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)線性相位，在設(shè)計(jì)中嚴(yán)格按照阻抗匹配原則，使其負(fù)載呈純阻性，構(gòu)建閉環(huán)路。各個(gè)集成電路均加有退耦電容，減小寄生電感電容的影響。
(4)抑制直流零點(diǎn)漂移。零點(diǎn)漂移現(xiàn)象是輸入電壓為零但輸出電壓不為零的現(xiàn)象。由于系統(tǒng)為寬帶直流放大器，所以各級(jí)之間必須采用直流耦合方式，然而對(duì)于高增益的放大電路，前級(jí)的微小輸入失調(diào)電壓經(jīng)放大后也將產(chǎn)生較大的偏置。對(duì)于寬帶直流放大器，必須對(duì)直流零點(diǎn)漂移有很好的抑制性能。系統(tǒng)的直流零漂由三級(jí)共同決定，而且前級(jí)電路的偏置對(duì)系統(tǒng)影響較大。首先，系統(tǒng)采用了單位增益穩(wěn)定、低噪聲的寬帶運(yùn)放OPA820ID構(gòu)成前級(jí)放大電路，其次，系統(tǒng)采用了分級(jí)消除直流偏置的辦法，將VCA810接成了偏置電壓可調(diào)的電路形式。
(5)放大器的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)采用了下述方法來(lái)減少干擾，避免自激，提高放大器的穩(wěn)定性：按照信號(hào)走向布線，各級(jí)之間的連線使用同軸電纜；退耦電容盡量接近芯片電源引腳；對(duì)于電流型反饋運(yùn)放THS3091D，特別注意了走線布局，如反饋線一定要走最短路線，因?yàn)殚L(zhǎng)的線會(huì)引起大的附加相移；計(jì)算選擇合適的反饋電阻阻值，使其不因阻值太大而產(chǎn)生大的分布電容，導(dǎo)致大的附加相移，也不因阻值太大而降低放大器的帶寬。
2 軟件設(shè)計(jì)
MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器(TI)1996年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗的混合處理器(Mixed Signal Processor)。由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開(kāi)發(fā)手段，已成為眾多單片機(jī)系列中一顆耀眼的新星。對(duì)于MSP430系列而言，由于引進(jìn)了FLASH型程序存儲(chǔ)器和JTAG技術(shù)，不僅使開(kāi)發(fā)工具變得簡(jiǎn)便，而且價(jià)格也相對(duì)低廉，并且還可以實(shí)現(xiàn)在線編程。程序采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。VCA810的VG控制以及輸出電壓幅值檢測(cè)、顯示的流程圖如圖7、圖8所示。
3 系統(tǒng)測(cè)試
3．1 放大器幅頻特性及增益起伏測(cè)試
測(cè)試方案：輸入信號(hào)設(shè)為100 mV，調(diào)節(jié)控制電壓VG，測(cè)試不同增益下，放大器的幅頻特性。幅頻特性測(cè)試結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，放大器的帶寬增益積基本等于3．36 GHz，增益可以達(dá)到40 dB以上，輸出電壓峰峰值可以達(dá)到29 V，在10 MHz內(nèi)，增益起伏幾乎為零，波形非常平滑，沒(méi)有自激現(xiàn)象。40dB增益時(shí)，放大器下限截止頻率低于20Hz，上限截止頻率高于20MHz，結(jié)果如表1所示。
3．2 輸出端噪聲測(cè)試
增益調(diào)節(jié)到40 dB，將輸入端短路，測(cè)量出輸出端噪聲電壓的有效值為200 mV。
4 結(jié)語(yǔ)
本文給出了一個(gè)5 V單電源供電的寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，增益、帶寬、帶負(fù)載能力以及輸出電壓峰峰值等指標(biāo)都能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。為解決寬帶放大器的自激問(wèn)題及減小輸出噪聲，采用了多種形式的抗干擾措施，抑制噪聲，改善放大器的穩(wěn)定性。
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