单电源宽带放大器的设计与实现

2024年3月6日发(作者：热门车型排行榜2022)

第２１卷第４期　２０１０年ｌ２月　苏州市职业大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｕｚｈｏｕ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｖｏ１．２１，Ｎｏ．４　Ｄｅｃ．，２０１０　单电源宽带放大器的设计与实现　淮文军，张进峰　（苏州市职业大学电子信息工程系，江苏苏州　２１５１０４）　摘　要：提出了一种采用单电源的高增益、宽带放大器．采用多个放大器阻容耦合的方式，有效改　善了放大器的低频特性，提高了放大增益范围．以Ｔｌ公司的低噪声电压反馈型运．￣ＯＰＡ８２０Ｉ，Ｄ作为首　级运放电路，利用电流型运放ＴＨｓ５０９１作为末级放大电路，ＴＰＳ６１　０８７ＤＢＣ的ＤＣ－－ＤＣ变换器作为末级运　放电路供电，利用低功耗的ＭＳＰ４５０单片机进行输出电压有效值和最大值的测量，并在ＬＣＤ上实时显　示．经过测试，在２０　ｋＨｚ～１　５　ＭＨｚ频段上信号增益稳定、噪声小．　关键词：电压反馈型运放；电流反馈型运放；增益；峰峰值检测；ＭＳＰ４３０单片机　中图分类号：ＴＰ２７１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００８—５４７５（２０１０）０４—００２２－０４　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｏｆ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｂｒｏａｄｂａｎｄ　ＨＵＡＩ　Ｗｅｎ－Ｊｕｎ，ＺＨＡＮＧＪｉｎ－ｆｅｎｇ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｕｚｈｏｕ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｕｚｈｏｕ　２１５１０４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ａ　ｈｉｇｈ　ｇａｉｎ　ａｎｄ　ｗｉｄｅ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ　ｗｉｔｈ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ．　Ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｇａｉｎ　ａｒｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｗｉｔｈ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ—　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｃｈｉｐ　ＯＰＡ８２０ＩＤ，ａｎ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｗｉｔｈ　ｌｏｗ　ｎｏｉｓｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｔｙｐｅ，ｉｓ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ；ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ＴＨＳ３０９Ｉ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｌａｓｔ　ｓｔａｇｅ；ａｎｄ　ｔｈｅ　ＤＣ—ＤＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＴＰＳ６　１　０８７ＤＲＣ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｕｐｐｌｙ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ．Ｔｈｅ　ＭＳＰ４３０　ｏｆ　ｕｌｔｒａｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　Ｍｉｃｒｏ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔｓ　（ＭＣＵ）ａｒｅ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｖａｌｕｅｓ　ｏｆ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ，ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｄｉｓｐｌａｙｅｄ　ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ　ｏｎ　ＬＣＤ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｓｔａｂｌｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｇａｉｎ　ａｎｄ　ｓｌｉｇｈｔ　ｎｏｉｓｅ　ｏｎ　２０　ｋＨｚ－１５　ＭＨｚ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｂａｎｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｏｌｔａｇｅ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ａｍｐｌｉｉｅｒ￣ｇａｉｎ　ｐｅａｋ　ｆｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ＭＳＰ４３０　ＭＣＵ　宽带运算放大器广泛应用于Ａ／Ｄ转换器、Ｄ／Ａ转换器、有源滤波器、波形发生器、视频放大器等电　路¨１．这些电路要求运算放大器具有较高的频带宽度和电压增益．本文设计了以ＴＩ公司高速低噪声宽带　运算放大器为核心的单电源宽带放大器，可用７：３０　ｋＨｚ～１５　ＭＨｚ的正弦信号的放大，并采用ＭＳＰ４３０单　片机测量和显示输出信号的幅值．　收稿日期：２０１０—０９—０８；修回日期：２０１０—０９—２１　基金项目：苏州市职业大学青年基金资助项目（２０１０ＳＺＤＱ０３）　作者简介：淮文军（１９７９一），男，陕西宝鸡人，讲师，工程师，硕士，主要从事电力系统及其自动化、智能控制研究　一２２—　

２０１０年第４期　淮文军等：单电源宽带放大器的设计与实现　１　系统设计方案　以低功耗单片机ＭＳＰ４３０为测量单元、分为首级放大、增益控制、功率放大、峰峰值检测等模块，本　设计采用高速运算放大器ＯＰＡ８２０ＩＤ作为首级和中间放大电路，ＴＨＳ３０９１Ｄ作为末级功率放大电路．为　了显示输出电压的峰峰值和有效值，使用高速　宽带运放ＴＨＳ３０９１Ｄ跟随后进行峰峰值检测，　首级　得到输出信号的峰值，通过ＴＩ的低功耗单片机　放大　模块　电源模块　ｌ叫　ＤＣ／Ｄ盯Ｐ压模块ｌ　ｌ　ＭＳＰ４３０Ｆ１６９　显示　ＭＳＰ４３ＯＦ１　６９自带的ＡＤＣ通道，完成电压峰值　件实现框图，见图１．　中间级放大模块Ｈ末级放大模块　峰峰值检测电路　有效　值和　峰值　的检测，并送￣Ｉ］ＬＣＤ１６０２上实时显示．其系统硬　图１　系统硬件实现框图　一Ｈ　一　胁一　一一　２　硬件设计　系统硬件部分主要分为以下模块：首级放大模块、中间级放大模块、末级放大模块、ＤＣ／ＤＣ升压模　块、峰峰值检测电路、单片机模块￣ＨＬＣＤ显示模块（见图１）．　２．１升压模块设计　系统使用的直流电源为５　Ｖ，经稳压、转换后供给单片机、首级、中问级放大器和ＤＣ／ＤＣ芯片．如果　直接使用ＤＣ／ＤＣ变换得到的１５　Ｖ电源为末级放大器供电，产生噪声较大，电压不稳定，并且带负载时，　会出现电压跌落，所以采取经７８１　５稳压后为末级供电，效果良好．升压电源电路，图２所示．　＋５　Ｖ　Ｄ３　ＩＮ　ｏＵＴ　ＧＮＤ　毽　Ｄｚｌ　Ｒ１４　Ｕ２４　１０ｕＦ　辫　图２升压电源电路　２．２放大模块设计　设计要求信号的增益要大于４０　ｄＢ，也就是说信号的放大倍数至少为１００倍．虽然ＯＰＡ８２０ＩＤ、　ＯＰＡ８４２和ＴＨＳ３０９　１Ｄ均为宽带放大器，理论增益带宽积（ＧＢＷ）均达￣１］２００　ｍ以上，但是根据数据手册，　当放大倍数Ｇ＝１　０时，理论带宽仅为３０　ＭＨｚ．增益带宽积表示为　Ｇ?ＢＷ＝Ａ　‘　，　＝１／２ｒｔＲＣ．　（１）　（２）　考虑到实际电路系统的噪声、放大器级问耦合的信号损失及外界的干扰信号等多种因素，单级放大　倍数不能过大，所以，系统采用三级阻容耦合放大结构，放大倍数可以采用５×５×４或者５×４×５．　２．２．１第一级运放电路设计　方案一：按照设计要求，运放必须选择ＯＰＡ８２０ＩＤ，由于系统供电电源为５　Ｖ，可以使用单电源供电，　提供２．５　Ｖ偏置电压．电源可以直接使用，但由于偏置电压的存在，信号的输出幅值受到限制．　方案二：第一级运放ＯＰＡ８２０ＩＤ，可以采用双电源供电．此电路简单，并能提升放大倍数．但是，由于　系统供电电源为５　Ｖ，５　Ｖ转正、负５　Ｖ电路中，如果使用模拟器件将比较复杂，而如果使用ＤＣ／ＤＣ芯片　又将会引入太多的干扰，降低信号的品质．　经过电路模拟和实际测试发现，虽然单电源供电电路较为复杂，但是输出电压的品质较高，噪声非　常小，有利于信号的下一级放大．因此选择方案一．　

苏州市职业大学学报　第２１卷　使用ＴＬ４３　１为ＯＰＡ８２０运放提供稳定的２．５　Ｖ　偏置工作点．电路中反馈电阻　实测阻值为５６５　Ｑ，　增益电阻　。实测阻值为９７　Ｑ，可以得到放大倍　数约为６．８倍．第一级放大器电路见图３．　２．２．２第二级运放电路设计　方案一：使用ＯＰＡ８４２作为中问放大级．因　其和８２０一样为电压反馈型，电路结构较为相　似，具有２４０　ＭＨｚ的带宽增益积，可以作为中间　放大环节．　方案二：使用ＯＰＡ８２０作为中间放大级．电　路结构与第一级基本相同，差异为调整放大倍数　小于２５，具有２００　ＭＨｚ的带宽增益积，可以作为　中问放大环节．　由于制作时间限制，第一级运放电路使用已　图３第一级放大器电路　成熟，因此，本设计采用方案二．反馈电阻为５６５　Ｑ，　增益电阻为２１８　Ｑ，实测增益约为３．６倍．第二级　放大器电路见图４．　２．２．３末级运放电路设计　方案一：按照设计要求，末级运放必须选择　图４第二级放大器电路　ＴＨＳ３０９１Ｄ，系统供电电源为５　Ｖ，必须使用ＤＣ／ＤＣ芯片ＴＰＳ６１０８７ＤＲＣ升压后，为ＴＨＳ３０９１Ｄ供电［２】．所　以只能选择单电源１　５　Ｖ供电，并提供７．５　Ｖ偏置电压．电源可以比较容易得到，但由于偏置电压的存在，　信号的放大倍数将受到限制．　方案二：末级运放ＴＨＳ３０９１Ｄ，可以采用双电源供电．优点是能提升放大倍数．但是，由于供电电源　为１５　Ｖ，单电源转正、负５　Ｖ电路中，如果使用模拟器件将比较复杂，而如果使用ＤＣ／ＤＣ芯片又将会引入　太多的干扰，降低信号的品质．　因单电源供电电路较为简单，减小放大倍　数可以提高输出电压的品质，减小噪声．因此选　择方案一．　末级放大电路中，使用７．５　Ｖ稳压管为　ＴＨ　Ｓ　３　０９　１　Ｄ提供偏置工作点．反馈电阻的实　测值为３．１　１　ｋ　Ｑ，增益电阻阻值为０．９８９　Ｑ，　实测增益约为４．１．此时，运放的总增益为　Ａｕ＝Ａ１?Ａ２?Ａ３＝３６．８　Ｘ　３．６×４．１，约为１００．末级　放大器电路见图５．　图５末级放大器电路　２．３峰峰值检测电路　因检波器的输入调幅信号幅度较大（＞０．５　Ｖ），为大信号检波．其特点是二　极管运用在伏安特性曲线的线性部分，虽然输入调幅信号的幅度较大，但在整　个周期内二极管不总是导通的．　检波电路采用点接触型锗二极管２ＡＰ系列，检测频率可达１　ＧＨｚ，自身的管　压降＜０．１　Ｖ，能够尽可能准确地检测到输出电压的峰值．为了更加准确地表达　输出信号的幅值，在单片机内进行了补偿．其原理图如图６所示．　图６峰峰值检测电路　ＡＤ采样通过ＴＩ的低功耗单片机ＭＳＰ４３０ＦＩ６９使用其自带的ＡＤＣ通道，完成电压峰值的检测ｐ　．这里　采用Ｐ６．３的Ａ３通道作为输出信号的采样通道．　

２０１０年第４期　淮文军等：单电源宽带放大器的设计与实现　３　软件设计　相对于硬件设计，本系统的软件设计较为简单，通过４３０Ｆ１６９的Ｐ６．３　ＶＩ检测峰峰值检测电路输出的　电压值Ｖ　，转化为数字量后，使用￣Ｖｒｍｓ＝０．７０７Ｖ　将峰值转换为有效值，使用式Ｖｐｐ－一２Ｖ　转化为峰峰值，并　将数据送到１６０２上显示．　４性能测试与分析　４．１　性能测试　输入信号为５０　ｍＶ的正弦信号，从２０　Ｈｚ开始逐渐升高频率到１５　ＭＨｚ，通过万用表、示波器观察到　输出电压信号的波形，同时通过单片机采集和显示该电压的有效值和峰峰值．测试数据如表１所示．　表１　输入５０　ｍＶ正弦信号的测试数据　输入频率／ｋＨｚ　０．０２　０．１　１　５　２０　１００　１　０００　５　０００　１０　０００　１２　０００　１５　０００　４．２结果分析　通过表１可以看出放大器在２０　Ｈｚ～２０　ｋＨｚ的低频范围内，放大倍数较小；在１００　ｋＨｚ～１２　ＭＨｚ的较　宽频带内，信号增益稳定；在１２～１　５　ＭＨｚ的高频范围内，信号增益开始下降．从整体来看，通频带内增益　很平坦，并无较大波动．　由式Ｖ　＝２Ｖ　可知，决定放大器频率的重要参数为　和Ｃ，电路结构确定后　将不变．可以通过调整Ｃ　的大小，为不同频率的信号提供通路，进一步展宽放大器的频带．通过测试数据可知，在２０　Ｈｚ～２０　ｋＨｚ　的低频范围内，由于耦合电容值偏小，导致信号衰减过大，进入运放的信号幅值减小，使输出的电压幅值　减小．针对这个问题，可在各级运放之间增加较大耦合电容，为低频信号提供通路，使输出有所改善．在　较高频率段，由于信号源自身的衰减，使输出电压幅值略有下降，通过实际输入和输出信号的测量计算，　仍保持固定的增益．在衰减一３ｄｂ的条件下可达到１２　ＭＨｚ，完全符合设计要求的指标．　５　结　论　使用高速宽带运放ＯＰＡ８２０ＩＤ和ＴＨＳ３０９　１　Ｄ作为放大模块的宽带低噪声放大器，实现了将小信号　放大１００倍的目的，高通频带在２２　ｋＨｚ～１５　ＭＨｚ上可以输出峰峰１０　Ｖ以上，较好满足了基本功能的要　求．使用超低功耗ＭＣＵ　ＭＳＰ４３０Ｆ１６９处理器为测量输出电压并显示，充分发挥了扩展功能，符合设计　要求．　参考文献：　［１］唐雁峰，李洪祚，李锐．基Ｔ＇ＡＤ６０３数控高增益宽带放大器的设计【ＪＪ．长春理工大学学报：自然科学版，２０１０，３３（１）：８２—８４．　［２】黄智伟．全国大学生电子设计竞赛——电路设计［Ｍ】．北京：北京航空航天大学出版社，２０１０：７５—７８．　［３ｊ秦龙．ＭＳＰ４３０单片机常用模块与综合系统实例精讲［Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００７：１９９—２００．　（责任编辑：李　华）