可控增益放大器的應(yīng)用

1、2012年TI杯 上海賽區(qū)競賽題目可控增益放大器1、任務(wù)基于乘法器型DAC或壓控增益放大器設(shè)計一個可控增益放大器，并將其用于自動增益控制器中。2、基本要求:設(shè)計一個負載為1K歐姆的可控增益放大器，可控增益放大器的放大倍數(shù)從1至128倍可調(diào)；通過按鍵短按，控制步進為4倍循環(huán)（1，4，16，64，128，1，）；（1）輸入信號為頻率為1KHz， 200mVpp的正弦信號時，在所有增益條件下：a. 增益精度高于1；b. 無明顯波形失真；（2） 輸入一個1KHz，200mVpp的方波，在所有增益條件下，a. 輸出方波沒有形態(tài)失真（輸出變?yōu)槿遣?正弦波，或有寄生振蕩頻率）； b. 輸出方波的過沖不超過

2、5；c. 輸出方波的上升到90的上升時間應(yīng)小于80uS;（3） 制作一個100mV的直流電平（用萬用表測量），做為可控增益放大器的輸入，在增益為128倍時：a. 用萬用表測量得到的輸出電壓誤差不超過1；b. 用示波器測量得到的電壓紋波不大于1；3、發(fā)揮要求:（1）基于基本部分的可控增益放大器，設(shè)計一個自動增益控制器。長按按鍵可進入（LED亮）或退出（LED滅）自動增益控制器功能，當(dāng)向可控增益放大器輸入1KHz， 200mVpp2Vpp間變化的正弦信號或其他波形信號時：a. 輸出波形穩(wěn)定在0.5Vpp，幅度精度為1；b. 頻率和波形不變；c. 響應(yīng)時間小于1s；并盡可能提高響應(yīng)速度；（2）將輸入

3、信號擴展為1KHz，20mVpp 20Vpp間變化的正弦信號或其他波形信號時，完成自動增益控制功能：a. 輸出波形穩(wěn)定在0.5Vpp，幅度精度為1；b. 頻率和波形不變；c. 響應(yīng)時間小于1s；并盡可能提高響應(yīng)速度；d. 在自動增益控制模式下，通過按鍵短按，輸出信號的幅度可以在0.5Vpp，1Vpp和2Vpp間切換；（4）減少器件使用的數(shù)量，降低成本；5、說明所有放大器的供電由實驗室臺式電源提供，供電電壓自由選擇；MSP430和乘法器型DAC的供電電源由運放供電電壓轉(zhuǎn)換后獲取，可利用Launchpad上的線性穩(wěn)壓器（測試時不得掛USB數(shù)據(jù)線），注意調(diào)試時可能和Launchpad 上的USB供電

4、沖突。附錄：一、 乘法器型DAC用作衰減器的原理：如上圖，乘法器型DAC的核心是一個R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)，讓我們來分析一下當(dāng)乘法器型DAC和外部運放一起工作時是如何實現(xiàn)衰減器的：1. 12個選通開關(guān)由SPI協(xié)議控制，使得2R的下端接入Iout1（藍線）或者Iout2（紅線）2. 外部運放的Vin+，接地，這時紅色的線都接地。3. 應(yīng)用運放的“虛短”理論（理想運放工作在線性狀態(tài)下時，Vin-和Vin+的電壓相等），我們可以看做藍色的線和紅色的線連在一起。這時，最右邊的兩個2R相當(dāng)于并聯(lián)，阻值等于R，這個等效電阻R會與紅圈圈出的R串聯(lián)，形成一個2R的等效電阻，這個2R等效電阻會與右邊第三個2R并聯(lián)，以

5、此類推，最后，從VREF端看進去，整個R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值為恒定的R。4. 于是，我們可以得到，流入VREF端的恒定的總電流為ITOTAL=VREF/R5. ITOTAL在整個R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)中的2R支路上被分流，流入每個開關(guān)的支路電流大小為：ITOTAL / 2n, 對于12位的乘法器型DAC來說，n = 1 12。MSB位的開關(guān)上的流過的電流最大，為ITOTAL / 2，以后每個開關(guān)上的電流為前一個2R的1/2。6. 每一路2R上的電流，由開關(guān)選通，決定是流入Vin-還是Vin+，流入Vin-的電流總和，對于乘法器型DAC來說，將為ITOTAL x CODE/4096 = （VREF/R

6、） x （CODE/4096）。這里CODE即為寫入乘法器型DAC的控制字的值。7. 記住Vin+是接地的，流入Vin+的電流對輸出信號沒有貢獻。對于流入Vin-的電流，由運放的“虛斷”理論（理想運放工作在線性放大狀態(tài)時，流入Vin-或Vin+的電流總和為0，即沒有電流進入Vin-或Vin+）可知，流入Vin-的電流將等于運放的輸出電壓Vout在RFB =上產(chǎn)生的電流，方向相反： Vout/RFB = -（VREF /R） x （CODE/4096）；8. 在設(shè)計乘法器型DAC時，TI會把RFB做到和R相等，于是，最終我們得到：Vout = -VREF x CODE/4096，這就是一個程控衰

7、減器。9. 如果把R-2R網(wǎng)絡(luò)放在運放的反饋回路中，如下圖：我們可以得到一個程控增益放大器，推導(dǎo)方法和上面類似，不再贅述，結(jié)論如下：Vout/R = -（VIN / RFB） x （4096/ CODE） ;RFB = R ;Vout = - VIN x 4096/ CODE ;二、 PWM信號用作DAC的原理：運用DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）或來自控制器的PWM（脈沖寬度調(diào)制信號），我們可以產(chǎn)生可變的直流參考電壓。由PWM及模擬低通濾波器產(chǎn)生的參考電壓，其準(zhǔn)確度和板上時鐘，濾波運放，供電電壓密切相關(guān)。如果微控制器的PWM發(fā)生器在一個周期中能有64個細分的時隙，那么在5V系統(tǒng)中可以達到78mv的精確度

8、。在微控制器PWM中，時鐘確定其基本工作頻率，我們可以調(diào)整占空比。Ton是PWM信號為高的時間長度；TOFF是PWM信號為低的時間長度；Ton+TOFF=T為PWM信號的一個周期。在一個PWM周期中，時鐘可制造的細分時隙數(shù)（K）部分地決定了由PWM信號產(chǎn)生的直流參考電平的準(zhǔn)確度和分辨率。用PWM信號產(chǎn)生的直流信號的最高分辨率（最小步進或每個LSB）是滿量程的1/K。在一個周期T中對時間的分割數(shù)K(從而決定了占空比的可調(diào)級數(shù)K)確定了DAC的理想數(shù)位，或者叫分辨率，DAC分辨率為：log(K)/log(2)。用模擬低通濾波器接在PWM后，可以產(chǎn)生一直流電壓，VREF。VREF大小依賴于Ton，T

9、OFF和供電電壓VDD，即VREF=VDD*Ton/(Ton+TOFF)= VDD*Ton/T。如果占空比大于50%，那么輸出電壓會大于VDD/2。如果在微控制器輸出端對PWM信號進行合適的濾波，那么系統(tǒng)誤差將由控制器時鐘的量化誤差，I/O端的擺幅誤差，低通濾波器對紋波的抑制，濾波運放的任何失調(diào)誤差以及輸出擺幅限制所決定。在圖1中，F(xiàn)FT（快速傅里葉變換）將PWM的方波信號變換為等效頻域信號。圖1同時也給出了低通濾波器的頻域響應(yīng)。利用公式fC(FIRST-ORDER-FILTER)=fPWM/低通濾波器的極點。（譯者注：此公式的由來，是因為單極點濾波器的幅頻曲線在轉(zhuǎn)折頻率后以20dB/deca

10、de的速率下降，設(shè)ASTOP是期望的衰減倍數(shù)，以dB為單位，若期望將載波衰減1000倍，即ASTOP-60dB，需要濾波器的轉(zhuǎn)折頻率與基波頻率之比滿足下面的倍數(shù)關(guān)系：60dB/20dB/decade3decade3個10倍頻程103，即fPWM要應(yīng)為fc的1000倍才能滿足衰減量要求，將上面的白話翻譯成數(shù)學(xué)公式即可得到上式。因此，若采樣多階濾波器則可以獲得更窄的過渡帶（衰減倍數(shù)不變），或更好的衰減倍數(shù)（fPWM/fc不變），但要注意濾波器的阻帶起伏等指標(biāo)。）如果需要電壓參考在瞬態(tài)下仍保持穩(wěn)定，你要提高濾波器的轉(zhuǎn)折頻率或增加濾波器的階數(shù)。在這里，因為電路中已有一個運放，增加濾波器階數(shù)是較好的選擇

11、。應(yīng)用各大運放廠商提供的軟件，設(shè)計一個有源低通濾波器還是較容易的。有了這篇文章中介紹的計算公式，PWM及運放，就可以設(shè)計一個產(chǎn)生直流參考電壓的DAC。微控制器產(chǎn)生PWM信號的基本時鐘頻率，以及模擬低通濾波器的截止頻率是這個設(shè)計的頻率限制因素。如果想提高這個系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，可以提高PWM的時鐘頻率，或使用獨立DAC。如果應(yīng)用中對精確度有較高要求，獨立DAC是一個很有吸引力的選擇。圖1 PWM信號轉(zhuǎn)換成直流信號的硬件實現(xiàn)：利用控制器產(chǎn)生PWM信號（a）；PWM經(jīng)過一階模擬低通濾波器產(chǎn)生dc電壓。在FFT圖上，發(fā)生器產(chǎn)生的PWM信號基頻為1/T，T為PWM的周期（b）；當(dāng)設(shè)計模擬低通濾波器時，基頻（

12、fPWM）響應(yīng)主宰了計算和結(jié)果。三、 給Launchpad上的MSP430G2553供電：1. TP1（靠近USB頭）上加入5V（此時絕對不能插入USB線，要插USB線，必須斷開TP1上的5V）；VCC上即獲得3.3V電壓；（注意此時整個ez430部分也被供電，如果設(shè)計系統(tǒng)要求低功耗，不一定可取）。2. 利用線性穩(wěn)壓器，獲得3.3V后加入VCC (下部插針)。注意要拔除VCC上的跳線帽。避免與USB供電沖突。另外，不同版本的Launchpad上此VCC的位置不同，請以板上絲印為準(zhǔn)。本題供選芯片說明（非必用）：OPA227, OPA2227, OPA228, OPA209, OPA1611, THS4031, VCA810, DAC7811