設計實現了一個5 V單電源供電的寬帶放大器基本功能。核心部分采用高速運算放大器OPA820ID作為一級放大電路，THS3091D作為末級放大電路，利用DC-DC交換器TPS61087DRC為末級放大電路供電，在輸出負載50 Ω上實現電壓增益等于40 dB。該放大器通頻帶范圍10 Hz～10 MHz，系統最終可利用示波器測量輸出電壓的峰峰值和有效值，并利用MSP430單片機控制1602液晶顯示輸出數據的功能。整個系統結構簡單，而且綜合應用了電容去耦、濾波等抗干擾措施以減少放大器噪聲并抑制高頻自激。經驗證，本方案完成了設計要求和部分擴展功能。

　　1 方案論證與系統設計

　　1.1 方案論證

　　直接使用集成高電壓輸出運放OPA820，放大器通頻帶從20 Hz～10 MHz，并能驅動50 Ω的負載，單純用音頻放大的方法來完成功率輸出。同時要做到在輸出負載上放大器最大不失真輸出電壓峰峰值≥10 V的難度較大，故采用DC-DC變換器TPS61087DRC為末級THS3091放大電路供電，最終設計這款高速寬帶放大器。本方案簡單易行，由于采用單芯片，所以系統體積較小。

　　1.2 系統設計

　　利用模擬電子技術和單片機信號采集處理技術，最終完成增益控制及輸出顯示。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

　　2 模擬電路設計

　　利用TI公司的模擬仿真軟件Tina，設計出5 V和15 V電源電路和三級放大電路，并利用峰值檢測電路的輸出經單片機采樣處理后液晶顯示。Tina仿真軟件模擬出上述電路40 dB時的通頻帶范圍為10 Hz～10 MHz。圖2所示為三級放大電路的通頻帶圖。

圖2 三級放大電路的通頻帶圖

　　2.1 放大電路

　　采用OPA820作為一級、二級放大電路，THS3091作為末級放大電路。三級放大倍數分別為5倍、5倍和4倍。其中末級電路通過兩個可調電阻來控制放大倍數和保證輸出信號的不失真。圖3所示為基于OPA820和THS3091芯片設計的三級放大電路。

圖3 基于OPA820和THS3091芯片設計的三級放大電路

　　2.2 峰值檢測電路

　　由于通頻帶范圍中有低頻和高頻兩種不同輸入，所以采用兩種不同檢測電路。低頻峰值檢測電路可參考專業書上的具體電路，高頻峰值檢測電路在此利用TPS61087芯片仿真設計出的電路，如圖4所示。

圖4  高頻峰值檢測電路

　　3 MSP430單片機控制液晶輸出設計

　　3.1 MSP430單片機和液晶

　　MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器。使用了MSP430F149型號的單片機，利用A／D采樣峰值檢測電路的信號，編程處理后最終完成在1602液晶上顯示輸出電壓峰峰值和有效值數據的功能。為了減少功耗，并降低數字系統對模擬信號的干擾，采樣完成后，將微控制器設低功耗模式。同時為了實時采樣后數據顯示不會閃爍，編程時利用定時器定時1 s后中斷，使液晶每隔1 s才顯示一次采樣數據。電路如圖5所示。

 

圖5 單片機和液晶電路圖

　　3.2 軟件流程

　　軟件流程，如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

　　4 性能測試與分析

　　測試儀器有：泰克公司TS1002 160 M數字示波器和RIGOL DS1022 20M信號源。

　　測試方法主要分3步：（1）連接+5 V、+15 V電源，在輸入端接入信號發生器信號。（2）輸入通頻帶范圍為10 Hz～10 MHz，電壓峰峰值0～100 mV的信號，測試通頻帶內是否平坦。（3）改變輸入電壓的頻率和有效值，分別記錄輸出電壓的峰峰值和有效值。

　　相關測試數據如表1所示。

表1 40dB時輸入輸出測試

　　如表1所示，放大器在預置帶寬為10 Hz～10 MHz、最大增益為40 dB的時候，通頻帶內很平坦。此時最大不失真輸出電壓約為10.20 V。經測試，該電路最大增益為42 dB。制作和調試出的實物圖如圖7所示。

圖7 實物圖

　　5 結束語

　　本設計實現了一個5 V單電源供電的寬帶放大器基本功能，完成了系統的硬件與軟件設計，解決了較難在輸出負載上不失真輸出電壓峰峰值≥10 V、輸出電壓的峰值檢測、A／D采樣顯示等問題。