0 引言
放大電路在工業技術領域中， 特別是在一些測量儀器和自動化控制系統中應用非常廣泛。如在一些自動控制系統中， 首先要把被控制的非電量（ 如溫度、轉速、壓力、流量、照度等） 用傳感器轉換為電信號， 再與給定量比較， 得到一個微弱的偏差信號。因為這個微弱的偏差信號的幅度和功率均不足以推動顯示或者執行機構， 所以需要把這個偏差信號放大到需要的程度，再去推動執行機構或送到儀表中去顯示， 從而達到自動控制和測量的目的。同時在很多信號采集系統中， 信號變化的幅度都比較大， 那么放大以后的信號幅值有可能超過A/ D 轉換的量程， 所以必須根據信號的變化相應調整放大器的增益。在自動化程度要求較高的系統中， 希望能夠在程序中用軟件控制放大器的增益， 或者放大器本身能自動將增益調整到適當的范圍。本文采用T I 公司的高速運算放大器OPA820 作為第一級放大電路進行11 倍的放大， 采用T I 公司電流反饋性運放THS3091 作為末級放大電路進行11 倍的放大， 并作為功率放大器驅動50 Ω阻性負載， 在輸出負載上， 放大器最大不失真輸出電壓峰峰值可達10 V 以上。通過兩級放大放大器電壓增益≥40 dB。輸出的信號通過峰值檢測模塊， 通過A/ D 采集輸入MSP430 單片機， 在液晶屏上顯示出放大器的輸入電壓的峰峰值和有效值。
由于在實際應用中常采用5 V 單電源供電， 本文選用TPS61087 電源芯片提供+ 10 V 電壓， 選用MC34063 電源芯片提供- 10 V 電壓來為T HS3091 供電。選用MAX764 電源芯片提供- 5V 電壓， 和輸入的5 V 電壓來為OPA820 供電。
系統總體框圖如圖1 所示。
圖1 系統總體框圖
為了盡可能降低放大器的輸出噪聲， 本文采取了相應的抗干擾處理： 不同級電路之間采用同軸電纜連接， 退耦電容盡量接近芯片電源引腳， 采用熱轉印法手工制PCB工藝， 盡量減少分布參數的影響。
1 單元電路設計
1. 1 電源模塊設計
由于在實際應用中常采用5 V 單電源供電， 本文選用TI 公司的T PS61087 電源芯片提供+ 10 V 電壓， 選用MC34063 電源芯片提供- 10 V 電壓來為T HS3091 供電。
選用MAX764 電源芯片提供- 5 V 電壓， 和輸入的5 V 電壓來為前級電壓放大模塊OPA820 供電。
T PS61087 是一款T I 公司的DC??DC 變換器。可以將2. 5~ 6 V 的輸入電壓變換為0. 5~ 18. 5 V 的電壓輸出，可以工作在650 kHz 和1. 2 MHz 兩個頻段上。輸出電流可高達900 mA。
MC34063 是一單片雙極型線性集成電路， 專用于DC-DC 變換器控制部分， 能在3. 0~ 40 V 的輸入電壓下工作，輸出開關電流可達1. 5 A, 也可構成反向電源變換器。
MAX764 是一款DC-DC 變換器。可以將3~ 15 V 的輸入電壓變換為- 5 V 的電壓輸出。輸出電流為250 mA。
電源模塊如圖2 所示。
圖2 電源模塊
1. 2 前級放大電路設計
OPA820 是TI 公司的一款低噪聲電壓反饋高速放大器。
增益帶寬積為480 MHz, 低輸入電壓噪聲： 2. 6 nV/ √Hz,高直流精度： 25℃ 最多輸入失調電壓為± 700 nV, 25℃ 最多輸入失調電壓為± 400 nA。
采用高速運算放大器OPA 820 作為第一級放大電路（ 如圖3） 進行11 倍的同相放大， 本文選取反饋電阻RF 為510 Ω, 反相端輸入電阻RG 為51Ω , 為了抑制噪聲， 防止電源串入噪聲信號， 本文在電源線的進線處加0. 1p 和2. 2p的旁路電容進行濾波。輸出信號進入后級放大電路進行放大（ 如圖4） 。
圖3 第一級放大電路
圖4 第二級放大電路
1. 3 后級放大電路設計
T HS3091 是一款高電壓， 低失真， 電流反饋放大器。
轉換速率為7300 V/s , 增益帶寬積為420 MHz, 輸出電流高達±250 mA。低噪聲： 正向電流噪聲為14 pA/√Hz, 反向電流噪聲為17 pA / √Hz, 電壓噪聲為2 nV/ √H z。
后級放大電路包含固定增益放大和功率放大模塊。本文用單片THS3091 搭建同相增益放大和功率放大模塊。
設置增益為11 倍， 本文選取反饋電阻RF 為1 k, 反相端輸入電阻RG 為100Ω。為了防止電流反饋運算放大器THS3091 的自激， 本文在THS3091 的輸入端加上20Ω 的限流電阻。該模塊可同時對信號幅度和功率進行放大。驅動后級的50 Ω負載， 同時輸出信號傳入峰值檢測模塊中。
1. 4 峰值檢測電路設計
峰值檢測電路由兩級電路組成： 第一級是整流電路，第二級是增益調節電路和積分電路。第一級整流電路如圖5 所示。
圖5 整流電路
第二級增益調節電路和積分電路如圖6所示。
圖6 增益調節電路和積分電路
峰值檢測波形如圖7和圖8所示。
圖7 檢波前的信號波形
圖8 檢波后的信號波形
1. 5 微控制器選擇
選用TI 超低功耗的MSP430 單片機對系統進行控制。
單片機主要完成對AD 從峰值檢測電路采集的信號進行處理， 將輸出電壓的峰峰值和有效值顯示在128 ×64 液晶屏上。
1. 6 抑制噪聲設計的主要措施
1） 布線合理。放大器輸入回路的導線和輸出回路、交流電源的導線彼此要分開， 不要平行輔設或捆扎在一起， 以免相互感應。
2） 濾波。為防止電源串入噪聲信號， 電源線的進線處加濾波電路。
3） 選擇合理的接地點。在多級放大器電路中， 如果接地處安排不當， 也會造成嚴重的噪聲。本文采取PCB制板， 將合理的接地點進行覆銅共地處理。
4） 不同級電路之間采用同軸電纜連接。
1. 7 消除自激振蕩設計
1） 采取PCB 制版， 元器件布置緊湊、縮短連線的長度。
2） 合理布線， 輸入線和輸出線分開至少5 mm 以上，以免產生正反饋作用。
3） 在放大器各級電路之間加入電源去耦電路， 以消除級間電源波動的互相影響。
4） 放大器輸入端加入限流電阻， 降低能量， 消除自激。
2 測試方案與測試結果
2. 1 放大器的基本性能測試
測試方法： 通過函數信號發生器產生不同頻率和幅度的正弦波， 通過該寬帶放大器， 輸出顯示在示波器上。從而測出放大器的放大倍數， 帶載最大輸出電壓， 下限截止頻率， 上限截止頻率， 最小輸出電壓。經測試可得該寬帶放大器的增益為43 dB 左右， 帶載最大輸出電壓為17 V,最小輸出電壓為0. 4 V, 下限截止頻率為6 Hz, 上限截止頻率為20 MHz。
2. 2 放大器的幅頻特性測試
測試方法： 用函數信號發生器產生峰峰值為5 mV, 頻率分別為1~ 20 Hz （ 步進為1 Hz ） , 100 Hz, 1 kHz,10 kHz, 100 kHz, 1~ 20 MHz（ 步進為1 MH z） 正弦波送入示波器進行測量并描點制圖如圖9。測試條件： 50 Ω阻性負載。
圖9 放大器幅頻特性。
由幅頻特性圖可得： 該放大器的電壓增益為43 dB 左右， 帶寬下限截止頻率低于6 Hz, 上限截止頻率高于20 MHz, 帶內波動較低。
2. 3 放大器輸出噪聲測試
測試方法： 輸入端接50Ω 電阻到地， 輸出端接入示波器進行噪聲測量， 觀察輸出噪聲波形， 測量出放大器的輸出噪聲。通過觀察輸出噪聲波形， 從示波器讀出該放大器的輸出噪聲峰峰值為10 mV。
3 結束語
本系統采用T I 公司的高速運算放大器OPA820 和T HS3091 以及MSP430 單片機、DC??DC 變換器TPS61087等完成了5 V 單電源供電的具有液晶顯示寬帶放大器該放大器的電壓增益達到43 dB, 帶寬在6 H z~ 20 MHz, 放大器輸出電壓（ 峰峰值） 達到0. 4~ 17 V, 小信號及寬帶信號均無明顯失真。該放大器性能優越。實踐證明在自動化要求較高的系統中具有很好的實用性。