2015年全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽放大器報(bào)告(DOC)

摘要：該設(shè)計(jì)通過(guò)前置放大，程控放大和后級(jí)放大三級(jí)放大能將130M的高頻小信號(hào)放大52dB以上。信號(hào)先通過(guò)LMH5401進(jìn)行前級(jí)差動(dòng)放大，再利用單片機(jī)MSP430f5529與數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7571控制VCA821實(shí)現(xiàn)程控增益放大，末級(jí)通過(guò)高速寬帶運(yùn)放THS4303輸出以驅(qū)動(dòng)50Ω的負(fù)載，實(shí)現(xiàn)輸出電壓有效值大于2V。關(guān)鍵詞：射頻放大器程控放大MSP430F5529VCA821一、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(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)的失真。方案二用THS4303做前級(jí)放大，THS4303的圧擺率能達(dá)到5500V/μ且它的帶寬高，能較好的對(duì)高頻小信號(hào)進(jìn)行放大。但THS4303是增益固定為10V/V的放大器，增益固定不可調(diào)。考慮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(jí)放大倍數(shù)。方案三用差分放大器LMH5401做前置放大模塊，LMH5401的圧擺和帶寬均能達(dá)到要求，有低噪聲低功耗的特點(diǎn)，同時(shí)它在SE-DE或差分到差分(DE-DE)模式下工作時(shí)產(chǎn)生的二次諧波和三次諧波失真非常低。所以用它來(lái)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(jié)合，將12V的直流電源轉(zhuǎn)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(duì)放大器進(jìn)行+5V供電。方案二用放大器芯片OPA847與穩(wěn)壓芯片TPS7350，TPS7325相結(jié)合,得到多種輸出電壓，這種方法芯片較多，電路較復(fù)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芯片的輸出電壓范圍內(nèi)達(dá)到所要求的放大倍數(shù)。2、頻帶內(nèi)增益起伏控制通頻帶定義：在信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出信號(hào)從最大值衰減3dB的信號(hào)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(duì)不同頻率信號(hào)的適應(yīng)能力越強(qiáng)。下限截止頻率fL：在信號(hào)頻率下降到一定程度時(shí)，放大倍數(shù)的數(shù)值明顯下降，使放大倍數(shù)的數(shù)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(hào)頻率上升到一定程度時(shí)，放大倍數(shù)的數(shù)值也將下降，使放大倍數(shù)的數(shù)值等于0.707倍的頻率稱為上限截止頻率fH。通頻帶fbw：fbw＝fH－fL。此處為達(dá)到題目要求在50MHz～160MHz頻率范圍內(nèi)增益波動(dòng)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(diǎn)漂移，自激振蕩，電源紋波，PCB布局布線不當(dāng)?shù)榷紩?huì)影響放大器工作的穩(wěn)定。零點(diǎn)漂移：零點(diǎn)漂移是指當(dāng)放大電路輸入信號(hào)為零時(shí)，放大器工作時(shí)會(huì)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(diǎn)發(fā)生變化，并被逐級(jí)放大和傳輸，導(dǎo)致電路輸出端電壓偏離原固定值而上下漂動(dòng)的現(xiàn)象。顯然，放大電路級(jí)數(shù)愈多、放大倍數(shù)愈大，輸出端的漂移現(xiàn)象愈嚴(yán)重。嚴(yán)重時(shí)，有可能使輸入的微弱信號(hào)湮沒(méi)在漂移之中，無(wú)法分辯，從而達(dá)不到預(yù)期的傳輸效果。為了抑制零點(diǎn)漂移我們?cè)诖诉x用差動(dòng)放大器LMH540和VCA821來(lái)構(gòu)成差動(dòng)放大電路，此種方法能較好的抑制零點(diǎn)漂移。自激振蕩：自激振蕩是指不外加激勵(lì)信號(hào)而自行產(chǎn)生的恒穩(wěn)和持續(xù)的振蕩。如果在放大器的輸入端不加輸入信號(hào)，輸出端仍有一定的幅值和頻率的輸出信號(hào)，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(bǔ)償?shù)姆椒?，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(hào)放大中電源紋波會(huì)影響信號(hào)的穩(wěn)定，此時(shí)在電源處并接一個(gè)22pf的瓷片電容和一個(gè)6.8μf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(shí)對(duì)PCB的走線要求較高，為了減少因PCB布局不當(dāng)對(duì)信號(hào)造成的影響，在布局走線時(shí)盡量按照芯片手冊(cè)上PCB走線，使其對(duì)信號(hào)的干擾最小。4、增益調(diào)整本題中要求增益控制范圍為12dB～40dB，增益控制步長(zhǎng)為4dB。因?yàn)橄到y(tǒng)是通過(guò)VCA821來(lái)改變?cè)鲆妫琕CA821的控制端電壓從0~2V變化時(shí)，放大器的增益也線性變化，此處是從-20dB~33dB線性變化。要達(dá)到步長(zhǎng)為4dB只要通過(guò)單片機(jī)的DAC輸出相應(yīng)電壓值至VCA821的電壓端，從而使得系統(tǒng)增益步進(jìn)變化。電路與程序設(shè)計(jì)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(jī)MSP4303F5529為核心。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)前級(jí)放大，壓控放大和后級(jí)放大能實(shí)現(xiàn)大于52dB的增益放大。通過(guò)觸摸屏可步進(jìn)增加增益，同時(shí)顯示當(dāng)前增益，單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的增益經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器調(diào)整VCA821控制腳的電壓實(shí)現(xiàn)整體電壓增益的步進(jìn)變化。1、電源模塊設(shè)計(jì)由于系統(tǒng)所用放大器芯片所需電源種類有+5V、+2.5V所以用放大器芯片OPA847與穩(wěn)壓芯片TPS7350，TPS7325相結(jié)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(shè)計(jì)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(cè)得出當(dāng)放大倍數(shù)為8的時(shí)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(lái)設(shè)計(jì)程控電路，通過(guò)單片機(jī)控制DAC控制引腳電壓在0~2V變化從而實(shí)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(lái)搭建20M的高通濾波器，以保證當(dāng)輸入信號(hào)頻率f≤20MHz或輸入信號(hào)頻率f≥270MHz時(shí)，實(shí)測(cè)電壓增益AV均不大于20dB。圖6高通濾波電路4、后級(jí)放大電路后級(jí)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(diǎn)，適合于做輸出放大。圖7后級(jí)放大電路二、程序設(shè)計(jì)利用單片機(jī)MSP430F5529控制DAC的輸出電壓來(lái)控制放大器增益的改變，同時(shí)液晶屏顯示增益。單片機(jī)的工作流程如下，當(dāng)單片機(jī)上電，初始化屏幕顯示，沒(méi)有觸摸屏幕時(shí)進(jìn)入低功耗模式。當(dāng)檢測(cè)到屏幕觸摸，觸發(fā)中斷，打開(kāi)中斷，讀取觸摸位置，判斷觸摸的是加還是減。之后進(jìn)行相應(yīng)處理。圖8軟件流程測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果測(cè)試設(shè)備環(huán)境序號(hào)名稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量1DS2202A-S雙通道示波器12TPR3005T-3C線性直流穩(wěn)壓電源13DY2106數(shù)字萬(wàn)用表14Agilent信號(hào)發(fā)生器12、測(cè)試方法和結(jié)果1、放大器頻率特性測(cè)量測(cè)量方法：輸入電壓有效值為20mv的正弦小信號(hào)，將增益調(diào)到最大，在輸出信號(hào)無(wú)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(diǎn)下的電壓增益。輸入頻率（MHZ）105070100輸出(V)2.972.983.23.16放大倍數(shù)(dB)43.543.544.043.97輸入頻率（MHZ）120130160180輸出(V)3.153.112.842.69放大倍數(shù)(dB)43.9743.9643.042.6綜上，最大增益約為43.8dB。2、頻帶內(nèi)增益起伏控制測(cè)量方法：輸入電壓有效值為20mv的正弦小信號(hào)，在頻率75MHZ~108MHZ時(shí)，固定一個(gè)增益值，在該頻段內(nèi)頻率連續(xù)變化，觀察并記錄在該過(guò)程中的Vpp值最大和Vpp值最小點(diǎn)處的增益值，求其差值看是否小于2dB。固定增益值(dB)10203040平均值最大增益(dB)11.620.431.443.9最小增益(dB)9.820.129.842.0增益差值(dB)1.80.31.61.91.4在75MHZ~108MHZ內(nèi)頻帶增益起伏為1.4dB,滿足基本要求。4、-3dB通頻帶測(cè)量測(cè)量方法：輸入電壓有效值為20mv的正弦小信號(hào)，固定一個(gè)增益值，調(diào)節(jié)頻率，觀察并記錄在該過(guò)程中當(dāng)增益下降3dB時(shí)的上限和下限頻率，多次改變?cè)鲆嬷?。最后看是否滿足題目所規(guī)定的上下限頻率。固定增益值(dB)10203040Fl(MHZ)52657687Fh(MHZ)120117110100由表可知當(dāng)電壓增益較小時(shí)，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(jìn)控制測(cè)量測(cè)量方法：輸入一個(gè)有效值為20mV的小信號(hào)，固定一個(gè)頻率，讓增益步進(jìn)從最小增加到最大，測(cè)量輸出電壓的增益，改變頻率繼續(xù)測(cè)量。預(yù)置增益(dB)-12203040實(shí)際增益(dB)-52027.843.4由表格知，當(dāng)步進(jìn)為4dB時(shí)不能完全線性變化，但是預(yù)置的增益和實(shí)際增益還是較為接近。4、電路的衰減特性測(cè)量方法：輸入一個(gè)電壓有效值為5mv的正弦小信號(hào)，將其電壓增益調(diào)到52dB以上，將頻率分