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(多图) 基于MSP430的直流宽带放大器设计

2012年02月02日 ?? 收藏0

1.4 理论分析与计算

(1)增益分配。为实现阻抗匹配,系统第一级为输入缓冲级,为了扩展系统的通频带,输入缓冲级增益为6 dB。VCA810的增益调节范围为-40~+40 dB,最高的线性增益误差只有0.3 dB/V,末级放大电路设计了增益为14 dB,这样整个放大电路的增益为-20~+60 dB可调。 VCA810最大输出电压峰峰值为3.6 V,后级放大器增益为5倍,可以使最大不失真输出电压峰峰值大于等于10V。

(2)通频带分析。前级放大芯片选用OPA820ID,其增益为2的时候,带宽为240 MHz,带宽增益积为480 MHz。VCA810的带宽为固定的25 MHz而末级的THS3091D的带宽增益积为420 MHz,当增益为2时,带宽为210 MHz。由以上分析可知,整个系统上限截止频率不低于10 MHz。另外,三级电路采用的是直流耦合方式,下限截止频率不高于20 Hz。该系统选用的高速、宽带运放,使信号在通频带内的增益更加平坦。

(3)线性相位。为了使系统在整个通频带内实现线性相位,在设计中严格按照阻抗匹配原则,使其负载呈纯阻性,构建闭环路。各个集成电路均加有退耦电容,减小寄生电感电容的影响。

(4)抑制直流零点漂移。零点漂移现象是输入电压为零但输出电压不为零的现象。由于系统为宽带直流放大器,所以各级之间必须采用直流耦合方式,然而对于高增益的放大电路,前级的微小输入失调电压经放大后也将产生较大的偏置。对于宽带直流放大器,必须对直流零点漂移有很好的抑制性能。系统的直流零漂由三级共同决定,而且前级电路的偏置对系统影响较大。首先,系统采用了单位增益稳定、低噪声的宽带运放OPA820ID构成前级放大电路,其次,系统采用了分级消除直流偏置的办法,将VCA810接成了偏置电压可调的电路形式。

(5)放大器的稳定性。该系统采用了下述方法来减少干扰,避免自激,提高放大器的稳定性:按照信号走向布线,各级之间的连线使用同轴电缆;退耦电容尽量接近芯片电源引脚;对于电流型反馈运放THS3091D,特别注意了走线布局,如反馈线一定要走最短路线,因为长的线会引起大的附加相移;计算选择合适的反馈电阻阻值,使其不因阻值太大而产生大的分布电容,导致大的附加相移,也不因阻值太大而降低放大器的带宽。

2 软件设计

MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合处理器(Mixed Signal Processor)。由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段,已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。对于MSP430系列而言,由于引进了FLASH型程序存储器和JTAG技术,不仅使开发工具变得简便,而且价格也相对低廉,并且还可以实现在线编程。程序采用C语言开发。VCA810的VG控制以及输出电压幅值检测、显示的流程图如图7、图8所示。

流程图

流程图

3 系统测试

3.1 放大器幅频特性及增益起伏测试

测试方案:输入信号设为100 mV,调节控制电压VG,测试不同增益下,放大器的幅频特性。幅频特性测试结果如表1所示。实验结果表明,放大器的带宽增益积基本等于3.36 GHz,增益可以达到40 dB以上,输出电压峰峰值可以达到29 V,在10 MHz内,增益起伏几乎为零,波形非常平滑,没有自激现象。40dB增益时,放大器下限截止频率低于20Hz,上限截止频率高于20MHz,结果如表1所示。

放大器幅频特性及增益起伏测试结果

3.2 输出端噪声测试

增益调节到40 dB,将输入端短路,测量出输出端噪声电压的有效值为200 mV。

4 结语

本文给出了一个5 V单电源供电的宽带低噪声放大器的设计。测试结果表明,增益、带宽、带负载能力以及输出电压峰峰值等指标都能满足设计要求。为解决宽带放大器的自激问题及减小输出噪声,采用了多种形式的抗干扰措施,抑制噪声,改善放大器的稳定性。


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放大器? 增益分配? TI?

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