基于MSP430的直流寬帶放大器設計
摘要： 本文給出了一個5 V單電源供電的寬帶低噪聲放大器的設計。測試結果表明，增益、帶寬、帶負載能力以及輸出電壓峰峰值等指標都能滿足設計要求。為解決寬帶放大器的自激問題及減小輸出噪聲，采用了多種形式的抗干擾措施，抑制噪聲，改善放大器的穩定性。
Abstract：
Key words :
隨著社會生產力的發展，人們迫切地要求能夠遠距離隨時隨地迅速而準確地傳送多媒體信息。于是，無線通信技術得到了迅猛的發展，技術也越來越成熟。而寬帶放大器是上述通信系統和其他電子系統必不可少的一部分，低噪聲放大電路模塊很大程度上決定了系統的整體指標。由此可知，寬帶放大器在通信系統中起到非常重要的作用，于是人們對它的要求也越來越高。
1 總體設計方案
1．1 寬帶放大器設計技術指標
寬帶放大電路的設計中主要考慮增益、通頻帶、動態范圍，穩定性等。這里設計的主要指標如下：
(1)用5 V單電源供電，輸出為50 Ω阻性負載；
(2)放大器電壓增益大于等于40 dB(100倍)，并盡量減小帶內波動；
(3)在最大增益下，放大器下限截止頻率不高于20 Hz，上限截止頻率不低于10 MHz；
(4)在輸出負載上，放大器最大不失真輸出電壓峰峰值大于等于10 V。放大器輸入為正弦波時，可測量并數字顯示放大器輸出電壓的峰峰值和有效值。
1．2 總體方案描述
系統組成框圖如圖1所示。系統主要由4個部分構成：前置放大電路、可控增益放大電路、后級功率放大電路和單片機顯示控制模塊。第一級用OPA820ID構成的放大電路增益為6 dB，實現了輸入阻抗匹配；可控增益放大電路由VCA810組成，實現了-40～+40 dB的動態增益變化；后級放大電路增益為14 dB；單片機顯示控制模塊完成對VCA810的控制以及輸出電壓檢測功能并用液晶顯示輸出電壓的峰峰值和有效值。
圖1 系統組成框圖
1．3 電路設計
前級放大電路由OPA820ID組成，OPA820是單位增益穩定低噪聲電壓反饋運算放大器，具有特點是：高帶寬(240 MHz，G=+2)；高輸出電流(±110 mA)；低輸入噪聲；完美的電流準確性，25℃輸入偏置電壓=±750μV，輸入偏置電流為±400 nA信號從同相端輸入，增益為(1+R17／R18)=2倍，為6 dB。電路如圖2所示。
選用TI公司生產的集成壓控增益放大器VCA810作為主增益控制，壓控增益放大器的增益與控制電壓成線性關系，控制電壓由單片機控制DAC產生。VCA810具有-40～+40 dB的增益控制范圍，精度達到1 dB，帶寬25 MHz。如圖3所示。
末級放大電路由THS3091 D構成，THS3091D是高輸出電壓低失真的電流反饋運算放大器。具有特點是：高帶寬(210 MHz，G=2，RL=100 Ω)；高輸出驅動電流(250 mA)；低失真、低噪聲；高供電電源范圍(5～15 V)；信號從同相端輸入，增益為1+1 000／250=5倍。輸出采用兩個THS3091并聯的方式，增加驅動能力。如圖4所示。
峰值電壓檢測電路采用高頻三極管組成射級跟隨檢波電路，三極管包絡檢波器具有一定的放大作用，Kd>1，同時還使輸入電阻Rid增大為二級管檢波器的(1+β)倍。檢測得到的峰值通過A／D轉換，再由單片機顯示輸出電壓的幅值。檢波電路如圖5所示。
圖5 射極跟隨檢波電路
采用DC／DC定電壓隔離非穩壓模塊A0512S-2W，將5 V單電源變換成±12 V，再利用穩壓模塊變換成±5 V電源，給前兩級放大器供電。電路如圖6所示。類似地，用定電壓隔離模塊A0515S-2W，將5 V變換至±15 V電源為末級放大器供電。如圖6所示。
圖6 5 V變換至±5 V電源電路
1．4 理論分析與計算
(1)增益分配。為實現阻抗匹配，系統第一級為輸入緩沖級，為了擴展系統的通頻帶，輸入緩沖級增益為6 dB。VCA810的增益調節范圍為-40～+40 dB，最高的線性增益誤差只有0．3 dB／V，末級放大電路設計了增益為14 dB，這樣整個放大電路的增益為-20～+60 dB可調。 VCA810最大輸出電壓峰峰值為3．6 V，后級放大器增益為5倍，可以使最大不失真輸出電壓峰峰值大于等于10V。
(2)通頻帶分析。前級放大芯片選用OPA820ID，其增益為2的時候，帶寬為240 MHz，帶寬增益積為480 MHz。VCA810的帶寬為固定的25 MHz而末級的THS3091D的帶寬增益積為420 MHz，當增益為2時，帶寬為210 MHz。由以上分析可知，整個系統上限截止頻率不低于10 MHz。另外，三級電路采用的是直流耦合方式，下限截止頻率不高于20 Hz。該系統選用的高速、寬帶運放，使信號在通頻帶內的增益更加平坦。
(3)線性相位。為了使系統在整個通頻帶內實現線性相位，在設計中嚴格按照阻抗匹配原則，使其負載呈純阻性，構建閉環路。各個集成電路均加有退耦電容，減小寄生電感電容的影響。
(4)抑制直流零點漂移。零點漂移現象是輸入電壓為零但輸出電壓不為零的現象。由于系統為寬帶直流放大器，所以各級之間必須采用直流耦合方式，然而對于高增益的放大電路，前級的微小輸入失調電壓經放大后也將產生較大的偏置。對于寬帶直流放大器，必須對直流零點漂移有很好的抑制性能。系統的直流零漂由三級共同決定，而且前級電路的偏置對系統影響較大。首先，系統采用了單位增益穩定、低噪聲的寬帶運放OPA820ID構成前級放大電路，其次，系統采用了分級消除直流偏置的辦法，將VCA810接成了偏置電壓可調的電路形式。
(5)放大器的穩定性。該系統采用了下述方法來減少干擾，避免自激，提高放大器的穩定性：按照信號走向布線，各級之間的連線使用同軸電纜；退耦電容盡量接近芯片電源引腳；對于電流型反饋運放THS3091D，特別注意了走線布局，如反饋線一定要走最短路線，因為長的線會引起大的附加相移；計算選擇合適的反饋電阻阻值，使其不因阻值太大而產生大的分布電容，導致大的附加相移，也不因阻值太大而降低放大器的帶寬。
2 軟件設計
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位超低功耗的混合處理器(Mixed Signal Processor)。由于它具有極低的功耗、豐富的片內外設和方便靈活的開發手段，已成為眾多單片機系列中一顆耀眼的新星。對于MSP430系列而言，由于引進了FLASH型程序存儲器和JTAG技術，不僅使開發工具變得簡便，而且價格也相對低廉，并且還可以實現在線編程。程序采用C語言開發。VCA810的VG控制以及輸出電壓幅值檢測、顯示的流程圖如圖7、圖8所示。
3 系統測試
3．1 放大器幅頻特性及增益起伏測試
測試方案：輸入信號設為100 mV，調節控制電壓VG，測試不同增益下，放大器的幅頻特性。幅頻特性測試結果如表1所示。實驗結果表明，放大器的帶寬增益積基本等于3．36 GHz，增益可以達到40 dB以上，輸出電壓峰峰值可以達到29 V，在10 MHz內，增益起伏幾乎為零，波形非常平滑，沒有自激現象。40dB增益時，放大器下限截止頻率低于20Hz，上限截止頻率高于20MHz，結果如表1所示。
3．2 輸出端噪聲測試
增益調節到40 dB，將輸入端短路，測量出輸出端噪聲電壓的有效值為200 mV。
4 結語
本文給出了一個5 V單電源供電的寬帶低噪聲放大器的設計。測試結果表明，增益、帶寬、帶負載能力以及輸出電壓峰峰值等指標都能滿足設計要求。為解決寬帶放大器的自激問題及減小輸出噪聲，采用了多種形式的抗干擾措施，抑制噪聲，改善放大器的穩定性。
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