2021年全國電子設計大賽放大器報告(DOC)

1、 5/52021年全國電子設計大賽放大器報告(DOC) 一、系統(tǒng)方案論證 1、前置放大器模塊的論證與選擇 方案一用TI芯片OPA847搭建同相放大電路。OPA847有很寬的帶寬，可以滿足本題目所要求的寬帶增益放大。但是OPA847的圧擺率不夠高，可能會導致輸出信號的失真。 方案二用THS4303做前級放大，THS4303的圧擺率能達到5500V/且它的帶寬高，能較好的對高頻小信號進行放大。但THS4303是增益固定為10V/V的放大器，增益固定不可調?？紤]到整體電路的增益分配10V/V的增益不符合我們所需的前級放大倍數。 方案三用差分放大器LMH5401做前置放大模塊，LMH5401的圧擺和帶

2、寬均能達到要求，有低噪聲低功耗的特點，同時它在 SE-DE 或差分到差分 (DE-DE) 模式下工作時產生的二次諧波和三次諧波失真非常低。所以用它來做前置放大效果很好。 綜上選擇方案三。 2、電源模塊的論證與選擇 方案一用穩(wěn)壓芯片TPS7350，TPS7325及TPS72325結合，將12V的直流電源轉換得到所需電壓。TPS7350，TPS7325，TP72325均是低壓穩(wěn)壓芯片，它們分別可提供+5V，2.5V和-2.5 V的固定電壓輸出，但這種方案不能得到-5V的電壓輸出，不能對放大器進行+5V供電。 方案二用放大器芯片OPA847與穩(wěn)壓芯片TPS7350，TPS7325相結合,得到多種輸出

3、電壓，這種方法芯片較多，電路較復雜，但可得到所需的電壓，且提高了電源效率。 所以選擇方案二。 3 、程控模塊的論證與選擇 方案一用可變增益放大器LMH6401與單片機相結合來控制增益變化。LMH6401是一款步長為1dB的差分數字可變增益放大器，可用SPI通信接口控制其增益變化。但LMH6401的增益范圍為-6dB至24dB，單片LMH6401不能滿足本題中增益范圍為1240dB的要求，需要兩片串聯(lián)使用，但LMH6401的價格較為昂貴所以此方案成本較高。 方案二用壓控增益芯片VCA821與單片機結合控制增益變化。VCA821是一款有較高的圧擺率和帶寬的dB線性可變增益放大器。用單片機的DAC控

4、制VCA821的引腳電壓改變來控制整體增益，且其最大增益可通過設置電阻值來設定，所以可滿足本題中40dB線性增益的變化。 綜上選擇方案二。 4、后級放大 此處我們用THS4303搭建固定增益放大電路做后級放大。THS4303是固定增益為10的放大器，它還具有圧擺率高，頻帶寬的特點。尤其是10V/V的固定增益使得整體電路較為穩(wěn)定，適合作為后級放大。 5 濾波模塊 方案一用電容器和電感搭建無源的高通濾波器。此種方法元器件較少成本低，電路結構簡單，且對諧波的抑制效果較好。但是此種方法電能損耗大而且在射頻情況下濾波器受系統(tǒng)參數影響較大，可能會造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。 方案二用OPA847放大器搭建有源高通

5、濾波器。用OPA847與電容和電阻一起構成二階有源高通濾波器，與無源濾波相比它有更好的可控性和快速響應的特點，且它的濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除在射頻情況下與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險。 綜上選擇方案二。 二、理論分析與計算 1 、射頻放大器的設計 放大器的增益分析： VCA821是一款壓控dB 線性增益放大器，其增益范圍可根具電路自行設定。如圖一所示，其中增益范圍由RF 和RG 的比值所決定，如下式： Rg 2G Rf ? = 此處設定其最大增益為32dB ，經計算可取RF=200，RG=12.5，則當Vg 的電壓在02V 之間變化時，其增益在小于20dB32dB 間線性變化。 圖1 程控

6、放大電路 根據題目知放大器的電壓增益AV 52dB, 增益控制范圍為 12dB 40dB 。則電路中的其余電壓增益至少應大于20dB,考慮到實際電路中的增益損耗此值應該偏大。因為VCA821的輸出電壓過大會產生失真，所以不能將所有增益均加到前級。所以可采用如下增益分配：前級放大采用LMH5401所構成的差分放大電路，放大倍數為8V/V(18.06dB)，后級放大采用固定增益為10V/V （20dB ）的THS4303所構成的放大電路。則前級和后級所組成的總增益為80V/V(38.06dB)能在所有 芯片的輸出電壓范圍內達到所要求的放大倍數。 2、頻帶內增益起伏控制 通頻帶定義：在信號傳輸系統(tǒng)中

7、，系統(tǒng)輸出信號從最大值衰減3dB的信號頻率為截止頻率，上下截止頻率之間的頻帶稱為通頻帶，用BW表示。通頻帶越寬，表明放大電路對不同頻率信號的適應能力越強。 下限截止頻率fL：在信號頻率下降到一定程度時，放大倍數的數值明顯下降，使放大倍數的數值等于0.707倍的頻率稱為下限截止頻率fL。 上限截止頻率fH：信號頻率上升到一定程度時，放大倍數的數值也將下降，使放大倍數的數值等于0.707倍的頻率稱為上限截止頻率fH。 通頻帶fbw：fbwfHfL。此處為達到題目要求在 50MHz160MHz 頻率范圍內增益波動不大于 2dB。 3、射頻放大器的穩(wěn)定性 放大器的穩(wěn)定性受許多因素的影響，如零點漂移，自

8、激振蕩，電源紋波，PCB布局布線不當等都會影響放大器工作的穩(wěn)定。 零點漂移：零點漂移是指當放大電路輸入信號為零時，放大器工作時會發(fā)熱，使其工作溫度變化。由于受溫度變化，電源電壓不穩(wěn)等因素的影響，使靜態(tài)工作點發(fā)生變化，并被逐級放大和傳輸，導致電路輸出端電壓偏離原固定值而上下漂動的現(xiàn)象。顯然，放大電路級數愈多、放大倍數愈大，輸出端的漂移現(xiàn)象愈嚴重。嚴重時，有可能使輸入的微弱信號湮沒在漂移之中，無法分辯，從而達不到預期的傳輸效果。 為了抑制零點漂移我們在此選用差動放大器LMH540和VCA821來構成差動放大電路，此種方法能較好的抑制零點漂移。 自激振蕩：自激振蕩是指不外加激勵信號而自行產生的恒穩(wěn)和

9、持續(xù)的振蕩。如果在放大器的輸入端不加輸入信號，輸出端仍有一定的幅值和頻率的輸出信號，這種現(xiàn)象就是自激振蕩。 為了消除這一現(xiàn)象，采用頻率補償的方法，在放大器的反饋電阻處并接一較小的電容。 電源紋波：在高頻小信號放大中電源紋波會影響信號的穩(wěn)定，此時在電源處并接一個22pf的瓷片電容和一個6.8f的電解電容可大大減少電源紋波。 PCB制作：芯片工作在高頻時對PCB的走線要求較高，為了減少因PCB布局不當對信號造成的影響，在布局走線時盡量按照芯片手冊上PCB走線，使其對信號的干擾最小。 4、增益調整 本題中要求增益控制范圍為 12dB40dB，增益控制步長為4dB。因為系統(tǒng)是通過VCA821來改變增益

10、，VCA821的控制端電壓從02V變化時，放大器的增益也線性變化，此處是從-20dB33dB線性變化。要達到步長為4dB只要通過單片機的DAC輸出相應電壓值至VCA821的電壓端，從而使得系統(tǒng)增益步進變化。 三、電路與程序設計 系統(tǒng)的整體框圖如下所示： 圖2 系統(tǒng)整體框圖 系統(tǒng)采用單片機 MSP4303F5529 為核心。輸入信號經過前級放大，壓控放大和后級放大能實現(xiàn)大于52dB的增益放大。通過觸摸屏可步進增加增益，同時 顯示當前增益，單片機根據設定的增益經D/A轉換器調整VCA821控制腳的電壓實現(xiàn)整體電壓增益的步進變化。 1、電源模塊設計 由于系統(tǒng)所用放大器芯片所需電源種類有+5V、+2.

11、5V所以用放大器芯片OPA847與穩(wěn)壓芯片TPS7350，TPS7325相結合可得多種輸出，電路圖如下所示。 圖3 電源模塊電路 1、前置放大電路的設計 前置放大采用差模放大的LMH5401，單通道輸入，雙通道輸出，每通道放大4倍。查詢芯片手冊得出當放大倍數為8的時候各電阻的阻值如下： 圖4 前置放大電路 2、程控放大電路 采用壓控增益放大芯片VCA821來設計程控電路，通過單片機控制DAC控制引腳電壓在02V變化從而實現(xiàn)增益的線性變化。 圖5 程控放大電路 3、高通濾波電路 用OPA847來搭建20M的高通濾波器，以保證當輸入信號頻率 f20MHz 或輸入信號頻率 f270MHz 時，實測電

12、壓增益 AV 均不大于 20dB。 圖6 高通濾波電路 4、后級放大電路 后級放大電路用固定增益為10V/V的放大器THS4303，THS4303有寬頻帶，高壓擺，輸出電流高的特點，適合于做輸出放大。 圖7 后級放大電路 二、程序設計 利用單片機MSP430F5529控制DAC的輸出電壓來控制放大器增益的改變，同時液晶屏顯示增益。單片機的工作流程如下，當單片機上電，初始化屏幕顯示，沒有觸摸屏幕時進入低功耗模式。當檢測到屏幕觸摸，觸發(fā)中斷，打開中斷，讀取觸摸位置，判斷觸摸的是加還是減。之后進行相應處理。 圖8 軟件流程 四、測試方案與測試結果 1、測試設備環(huán)境 序號名稱、型號、規(guī)格數量 1 DS

13、2202A-S雙通道示波器 1 2 TPR3005T-3C線性直流穩(wěn)壓電源 1 3 DY2106數字萬用表 1 4 Agilent 信號發(fā)生器 1 2、測試方法和結果 1、放大器頻率特性測量 測量方法：輸入電壓有效值為20mv 的正弦小信號，將增益調到最大，在輸出信號無明顯失真的條件下逐漸增大其頻率，并記錄其輸出電壓值，求出在該頻率點下的電壓增益。 10 50 70 100 輸入頻率 （MHZ） 輸出(V) 2.97 2.98 3.2 3.16 放大倍數(dB) 43.5 43.5 44.0 43.97 120 130 160 180 輸入頻率 （MHZ） 輸出(V) 3.15 3.11 2.

14、84 2.69 放大倍數(dB) 43.97 43.96 43.0 42.6 綜上，最大增益約為43.8dB。 2、頻帶內增益起伏控制 測量方法：輸入電壓有效值為20mv的正弦小信號，在頻率75MHZ108MHZ時，固定一個增益值，在該頻段內頻率連續(xù)變化，觀察并記錄在該過程中的Vpp值最大和Vpp值最小點處的增益值，求其差值看是否小于2dB。 10 20 30 40 平均值 固定增益值 (dB) 11.6 20.4 31.4 43.9 最大增益 (dB) 9.8 20.1 29.8 42.0 最小增益 (dB) 1.8 0.3 1.6 1.9 1.4 增益差值 (dB) 在75MHZ108MH

15、Z內頻帶增益起伏為1.4dB,滿足基本要求。 4、-3dB通頻帶測量 測量方法：輸入電壓有效值為20mv的正弦小信號，固定一個增益值，調節(jié)頻率，觀察并記錄在該過程中當增益下降3dB時的上限和下限頻率，多次改變增 益值。最后看是否滿足題目所規(guī)定的上下限頻率。 10 20 30 40 固定增益值 (dB) Fl(MHZ) 52 65 76 87 Fh(MHZ) 120 117 110 100 由表可知當電壓增益較小時，可滿足通頻帶要求，但隨著頻率升高，下限頻率逐漸升高，不能滿足要求。 5、增益步進控制測量 測量方法：輸入一個有效值為20mV的小信號，固定一個頻率，讓增益步進從最小增加到最大，測量輸出電壓的增益，改變頻率繼續(xù)測量。 預置增益(dB) -12 20 30 40 實際增益(dB) -5 20 27.8 43.4 由表格知，當步進為4dB時不能完全線性變化，但是預置的增益和實際增益還是較為接近。 4、電路的