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

1、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)50Q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MSP430F5529 VCA821一、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0PA847搭建同相放大電路。0PA847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0P

2、A847勺圧擺率不夠高，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/卩且它 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

3、一用穩(wěn)壓芯片TPS735Q 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0PA847與穩(wěn)壓芯片TPS7350 TPS7325相結(jié)合，得到 多種輸 岀電壓，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方案一 用可變?cè)鲆娣糯笃鱈MH6401與單片機(jī)相結(jié)合來(lái)控制增益變化。LMH6401是一款步

4、長(zhǎng)為ldB的差分?jǐn)?shù)字可變?cè)鲆娣糯笃?，可用SPI通信接口控制 其增益變 化。但LMH6401的增益范圍為-6dE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(jià)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(jī)結(jié)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?cè)鲆娣糯笃?。用單片機(jī)的DAC控制VCA821的引腳電壓改變來(lái)控制整體增益，且其最大增益可通過(guò)設(shè)置電阻值來(lái)設(shè)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(jí)放大此處我們用THS4303搭建固定增益放大電路做后級(jí)

5、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(diǎn)。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(jí)放大。5濾波模塊方案一用電容器和電感搭建無(wú)源的高通濾波器。此種方法元器件較少成本 低，電路 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且對(duì)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(shù)影響較大，可能會(huì)造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。方案二用0PA847放大器搭建有源高通濾波器。用0PA847與電容和電阻一起構(gòu)成二 階有源高通濾波器，與無(wú)源濾波相比它有更好的可控性和快速響應(yīng)的 特點(diǎn)，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(xiǎn)。綜上選

6、擇方案二。二、理論分析與計(jì)算1、射頻放大器的設(shè)計(jì)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(shè)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：RfG 2 -Rg此處設(shè)定其最大增益為32dB,經(jīng)計(jì)算可取RF=20(n, RG二12. 5Q,貝U當(dāng)Vg的電壓 在02V之間變化時(shí)，其增益在小于一 20dB32dB間線性變化。圖1程控放大電路根據(jù)題目知放大器的電壓增益AV52dB,增益控制范圍為12dB-40dBo貝U電路中 的其余電壓增益至少應(yīng)大于20dB,考慮到實(shí)際電路中的增益損耗此值應(yīng)該偏大。因?yàn)閂CA821的輸出電壓過(guò)大會(huì)產(chǎn)生失真，所以不能

7、將所有增益均加到 前級(jí)。所 以可釆用如下增益分配：前級(jí)放大采用LMH5401所構(gòu)成的差分放大電路，放大倍數(shù)為8V/V(1 &06dB),后級(jí)放大采用固定增益為1OV/V (20dB)的THS4303所構(gòu)成的放大電路。則前級(jí)和后級(jí)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(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，

8、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 o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fHo通頻帶fbw: fbw二fH fLo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2dBo3、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

9、， 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LMH54和VCA82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) 彖就是自激振蕩。刖LMH5401液晶屏為了消除這一現(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

10、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)6.8卩f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勺走線要求較高，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4d氏 因?yàn)橄到y(tǒng) 是通過(guò) VCA821來(lái)改變?cè)鲆?，VCA821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-20dB33dB線性變化。要達(dá)到步長(zhǎng)為4dB只要通過(guò)單 片機(jī)的DAC1出相應(yīng)電壓 值至VCA821的電

11、壓端，從而使得系統(tǒng)增益步進(jìn)變化。三、電路與程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體框圖如下所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)MSP430F5529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的土曾益放大。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VCA82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0PA847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。1、前置放大電路的設(shè)計(jì)前置放大采用差模放大的LMH540

12、1單通道輸入，雙通道輸岀，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:TPS73SKTPS73SKX)X)Tpsmsoo圖3電源模塊電路RF 2002、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4前置放犬電路U1 VCA321 MODEL5圖5程控放人電路20dB3高通濾波電路用0PA847來(lái)搭建20M的咼通濾波器，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C6150pTI-* YG10圖6咼通濾波電路4、后級(jí)放大電路后級(jí)放大電

13、路用固定增益為10V/V的放大器THS4303 THS4303有寬頻帶，高壓擺，輸U(kuò)1 0PAt4R1 62VS1 52 2 S SV V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)MSP430F552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軟件流程四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1、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-3

14、C線性直流穩(wěn)壓電源13DY2106數(shù)字萬(wàn)用表14Agile nt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) 143. 543. 544.043.97輸入頻率(MHZ)120130160180輸出(V)n3. 153. 11P 2. 842. 69放大倍數(shù)(dB)43.9743.9643.042. 6綜上，最大增益約為43. 8dB2、頻

15、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75MHZ108MHZ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(clB)1.80.31. 61.91.4在75MHZ108MH內(nèi)頻帶增益起伏為1. 4dB,滿足基本要求。4、-3並通頻帶測(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）10203040FI (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勺小信號(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