寬頻放大
摘要：本系統以ti公司的高精度、快速度、寬頻運算放大器opa820id、可程式設計器件vca822及超低功耗msp430f169微控制器為核心實現了20hz~10mhz交流小訊號的寬頻放大及輸出電壓峰峰值和有效值的測量與顯示。設計採用自製的直流穩壓電源為系統供電；opa820id構成系統的前級放大電路；可程式設計器件vca822構成中間級程式控制放大電路；tps3091d構成系統的末級功率放大電路，其中末級功率放大電路的供電電源有系統電源經tps61087drc公升壓得到；。
關鍵詞：opa820id vca822 ths3091d 微控制器寬頻放大
一、系統方案
1、方案論證與比較
分析題目各項要求，放大器的增益設定和功率放大是本題的重點，方案論證主要圍繞中間級主放大電路，末級功率放大、檢波電路及直流穩壓電源這幾個模組展開。
1.1、主放大模組
方案一：採用整合寬頻運放，如opa820id，完全能夠滿足題目基本要求的設計，但其增益受限，對整體方案設計不利；opa657雖然增益可達40db，但其增益不可調節。
方案二：由微控制器和可程式設計增益放大器vca822構成壓控放大器，微控制器通過控制d/a輸出直流電壓來控制vca822的內部電阻衰減網路，實現增益調節。其外圍元件少，電路簡單，由於vca822頻寬最大能達到100mhz，增益範圍有40db，完全滿足題目發揮部分要求，且可程式控制，增加靈活性，所以本部分採用該方案，放棄方案一。
1.2、功率放大模組
方案一：單片ths3091d構成功率放大。
方案二：兩片ths3091d進行功率合成。
由於題目要求，50ω負載上，放大器最大不失真輸出電壓峰峰值≥10v，而ths3091d在+15v單電源供電條件下的最大輸出電流為200ma，若採用方案一，則輸出電流較低，因此我們採用兩片ths3091d構成功率合成，提高輸出電流。
1.2、直流穩壓電源模組
方案一：前級和主放大電路採用5v單電源供電。
方案二：前級和主放大電路採用±5 v雙電源供電。
opa820id、vca822若採用單電源供電，低頻效應不能保證，工作點難以確定，我們採用±5v雙電源供電。
1.3、檢波電路模組
方案一：採用整合真有效值變換晶元，直接輸出被測訊號的真有效值,例如ad637，但由於一般的有效值檢波的晶元難以達到10mhz的寬頻，無法滿足設計要求。
方案二：考慮到本題要求測量的是標準正弦波，可採用峰值檢波電路，檢出峰值經a/d轉換後由微控制器轉換為有效值。電路簡單可靠，精度較高，速度較快，故採用此方案。
2、系統總體方案框圖
基於以上分析系統方框圖如下圖1所示
圖1 系統方案框圖
二、理論分析與計算
2.1、頻寬增益積
頻寬增益積(gbp)可用來簡單衡量放大器的效能，表示增益和頻寬的乘積。按照放大器的定義，這個乘積是一定的。
題目中要求放大器最大電壓增益≥40db，即gain≥100v/v。放大器的通頻帶0～10mhz，所以本放大器的頻寬增益積gbp為：
gbp = 1000 * 10m = 10g1）
單個放大器是很難達到10g的gbp，所以我們考慮多級放大器級聯。經過查閱手冊，g=5時，opa820的gbp≥300 m，級聯上后級的vca822和ths3091，足以滿足設計要求。
2.2、電壓控制增益的原理
vca822的基本增益為2）
其中，vg是差分輸入電壓，單位是v，rf、rg分別為反饋電阻和增益電阻，為常數，gain是vca822的基本增益,用放大倍數表示。從此式可以看出，放大倍數和電壓之間是線性的關係。由此可以得出，只要微控制器進行簡單的線性計算就可以控制增益，增益步進可以很準確地實現。
但若要用db來表示增益的話，則需將放大倍數經過複雜的對數運算轉化為db後再去控制vca822的增益，這樣在計算過程中就引入了較大的運算誤差，我們不採用此方式。
三、電路設計
1、前級放大電路
opa820id作為第一級放大電路，為減小前級輸入雜訊的影響，前級應當做到最大增益，但考慮到高頻對寬頻增益的限制，在此我們設計增益g=1+rf/rg=5。電路如圖2所示。
圖2 前級放大電路
2、程式控制放大電路
微控制器經d/a給出 0v～2v的電壓經op07處理後，可控制vca822的放大倍數，作為該系統的核心放大模組，我們選擇 rf/rg=50，實現0db~40db的增益控制。電路如圖3。
圖3 程式控制放大電路圖
3、功率放大電路
兩片ths3091d構成功率合成，為避免放大倍數太大而自激，引入干擾。末級放大電路增益應盡可能小，又vca822的最大輸出為8vpp，小於10vpp，所以在此我們選擇增益g=1+rf/rg=2.電路如圖4所示。
圖4 功率放大電路圖
4、檢波電路
峰值檢波電路有二極體、三極體和電壓跟隨器組成，三極體基極由微控制器控制，產生1oμs的高電平使電容放電，以減少前一頻率測量對後一頻率測量的影響，提高幅值測量精度。電路如圖5所示。
圖5 檢波電路圖
5、dc-dc直流穩壓電源
圖7 ±5v穩壓電源圖
圖6 +15v穩壓電源圖
四、程式設計
五、系統測試及分析
1、測試儀器
多功能數字萬用表fluke17b；數字示波器rigolds5102m；功率函式發生器sg1645 。
2、放大器電壓增益測試
測試方案：設定輸入訊號頻率為500khz,輸入訊號以訊號峰峰值為單位。輸出訊號以示波器的輸出電壓峰峰值為標準，計算出交流增益，增益預置以倍數表示，括號中換算為db，主要測試資料如表1所示。
有測試結果可得，最大增益為42.1db。
3、放大器頻寬及帶內波動測試
測試方案：設定放大器的頻寬為10mhz，輸入訊號電壓為20mvpp，增益設定為60db，對這個預置頻寬進行頻率掃瞄，測得輸出訊號幅度，記錄-3db衰減對應的頻率點，計算0--10mhz的增益起伏。
測試結果：對頻寬為10mhz 的放大器，實測-3db截止頻率為(20mhz)，對於 0--10mhz 頻寬，增益起伏≦ 1 db。
4、最大不失真輸出電壓峰峰值測試
測試方案：輸入訊號頻率設定為100khz，10mhz，輸入訊號電壓峰峰值為20mv，用示波器觀察輸出訊號不失真的條件下，記錄最大輸出電壓峰峰值。
100k: 7.6v (vpp); 10m: 5.6 (vpp)
測試結果：100khz 的頻點上，最大輸出電壓正弦波峰峰值為9.6 v，波形均無明顯失真。10mhz 的頻點上，最大輸出電壓正弦波峰峰值為7.6v，波形均無明顯失真。
5、輸出端雜訊測試
測試方案：輸入接地，設定增益g=60db，用示波器探測輸出端雜訊電壓，測得峰峰值為200mv
6、測量相對誤差計算
總結：測試結果表明，本系統基本上達到了題目設計的要求，實現了部分指標。但是由於時間緊迫，知識不足，一些指標未能完成。
在實測過程中，前級與中間級放大倍數均作了修改，末級放大中沒能做到預期的放大兩倍的效果，只做到了跟隨的作用。尤其ths3091d的單電源供電過程中偏置與靜態工作點難以控制。發揮部分基本達到指標，但效果不是很好，另外我們多加了放大增益可調的功能，能夠程式控制放大倍數，可預置放大倍數，和按10倍步進放大。
[1] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎（第四版），高等教育出版社，2023年版。
[2] 何希才，常用應用電路實用例項，電子工業出版社，2023年版。
[3]德州儀器效能微控制器和模擬器件在高校中的應用和選型指南，2023年6月。
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