宽带放大器前级放大电路
宽带放大器(A题)
摘要
本作品主要由增益放大器OPA820ID 和功率放大芯片THS3091D, 分别实现增益
信号的调节和末级功率的放大,在20HZ 到5MHZ 带宽范围之间的小信号进行有效的放大,实现增益0dB 到100dB 之间连续可调,最大不失真输出电压有效值不小于10V ,利用DC —DC 变换器TPS61087DRC 为末级放大电路供电。系统主要由三个模块组成:前级放大电路;功率放大电路;供电电路,本设计在放大电路中设计了相位补偿电路和防止产生自激振荡电路,由于电路限用单电源供电,所以在电路设计时加入了合适的偏置。
关键词:宽带增益放大器 OPA820ID TPS61087DRC THS3091D
一 方案选择与论证:
分析设计题目的各项要求,放大器的增益调节是重点,而功率放大是本题的难点,因此有以下的方案选择与论证。
1 增益放大电路部分
方案一:采用TI 公司提供的OPA820ID 芯片,采用反相输入比例运算放
大电路,设计简单,但容易产生自激振荡,电路稳定性差,不选用此方案。
方案二:采用多级放大器的级联实现增益放大,通过模拟开关选择信号的
级联放大,每一级实现不同的增益放大,最终实现的增益等于各级增益之和。此方案原理简单,但需较多模拟开关和较多运放的级联,增加了系统的成本和不稳定性,而且调试难度较大,增加了本身的不稳定性。故放弃此方案。
方案三:采用TI 公司提供的OPA820ID 芯片,采用同相输入比例运算放
大电路,设计简单,且能有效避免自激,稳定性好。采取此方案。 2 功率放大部分
方案:由于题目要求采用THS3091ID ,所以放弃使用分立元件实现的方
案,而使用集成高速功率放大器THS3091D ,驱动负载能力较大,低噪声,采用并联三个THS3091D 高速宽带放大器,电路简单,增益可调,而且方便调试,为防止自激,我们采用输入电压从反相输入端输入,由于THS3091D 为单电源供电,所以在其同相输入端加入直流偏置电路,以使同相输入电压为Vcc/2.其原理图见下。总放大增益为16 dB。而其在输出端能实现大电流输出,完全满足题目要求,实现起来简便易行,易于调试,且噪音小。故采用此方案。
二 理论分析计算: 1 增益分配:
(1)前级放大电路以OPA820ID 为核心,其频率上下限控制在10HZ-10MHZ ,
其电压增益不小于40db 。前级放大电路有两级OPA820ID 构成,为实现输入阻抗匹配,系统第一级为缓冲级,为扩展通频带,输入缓冲级增加一补偿电路。第一级放大倍数为16dB ,在其同向输入端加入直流偏置。第二级放大倍数为16 dB。题目要求放大电路不失真时输出电压峰峰值大于10V 。频率下限不大于20HZ ,上限不小于5MH ,而本电路对输入输出电压及频率都有限制,所以,必须合理分配各级放大器的放大倍数。
第一级电路由OPA820ID 构成电压串联负反馈,在其同向输入端加入直流
偏置电路以使其同相输入端电压稳定在Vpp/2,即2.5V 。为展宽电路通频带,在其电路反向输入负载并联30pf 可调电容。使并联后总的阻抗减小,频率增大,使高频顺利通过。起补偿作用。在此电路中,在OPA820ID 电源端加入去耦电容和瓷珠。以稳定输出电压及起滤波作用。两级放大电路通过隔直电容级联。
末级放大电路以THS3091D 为核心,其电压增益为16dB 采用并联三个
THS3091D 高速宽带放大器,为防止自激,我们采用输入电压从反相输入端输入,由于THS3091为单电源供电,所以在其同相输入端加入直流偏置电路,以使同相输入电压为Vcc/2.其原理图见下。总放大增益为16dB 。而其在输出端能实现
大电流输出,完全满足题目要求,实现起来简便易行,易于调试,且噪音小。
2:放大器带宽增益积
(1)带宽增益积(GBP )是衡量放大器性能的一个重要参数。电压反馈型运放带宽和增益存在一定关系:从对应波特图可看出:直流到由反馈回路决定得主极点Fc之间,带宽增益积恒定,在该频率以上,如果频率升高一倍增益就会降低一半,运算放大器的3db 宽频率就是Fc 放大器带宽增益积BW*Au=C常数,所以设计电路时进行折衷选择。题目要求通频带范围为20HZ-5MHZ, 增益大于等于40db ,即Gain>=100V. 故其GBP=500 故考虑多级放大器级联。
(2)假设放大电路的高频响应用下面单极点函数表示:
A(jw )=A m /(1+jw /w h ); (2--1)
式中A m 为放大器的中频增益,w 为角频率,w h 为上限角频率,当引入正反馈并假设反馈网络的反馈系数与频率无关的实数B 时,则有:
A
(jw )=A(jw )/[1+BA(jw )]; (2--2)
将式(2--1)代入式(2--2)中得
A
A f (jw )=
1+
m
1+A m B
jw
(1+
A m B ) w H
]
(2--3) 由此可知,反馈中频增益为Am=Am/(1+AmB),上限角频率为W hf=Wh(1+AmB) 这说明引入负反馈后,放大电路的上限频率扩展了扩展程度与反馈深度F 有关。对本系统直流放大器,放大器下限角频率为零赫兹,所以无馈时放大器通频带为BW=f h 接入正反馈后,放大器通频带为
B Wf =f Hf =(1+A m B) Bw (2--4) 式(2—4)表明:引入负反馈后放大器通频带扩展到无反馈时的(1+AmB)倍。而且带宽增益积为一常数。
改善系统幅频特性不仅考虑带宽增益积就足够,还有其他因素的考虑,如运放的摆率,驱动负载的能力小信号的放大后输出信号的质量等。
3:抑制直流零点漂移
零点漂移是指输入信号为零时,由于受温度影响、电源电压不稳定等因素影响,是静态工作点发生变化,并被逐放大和传输,导致电路输出端偏离原固定值而漂移。抑制零点漂移的措施除了精选元件、选用高稳定度电源以及稳定静态工作点之外,还可用设计差动输入级来抑制零漂。在实际电路中,我们常采用补偿的办法来抑制。补偿是指用另外一个元器件来抵消放大电路的漂移,使零点漂移降到最低。本题我们在前级放大电路均设计了直流偏置电路,使零漂降到较低限度。
4:放大器稳定性理论分析
本作品主要通过采取抗干扰措施提高放大器的稳定性,系统全部采用印制板,减小寄生电容和寄生电感,采用铜板大面积接地,减小地回路。级间采用同轴电缆相连,避免级间干扰和高频自激。
三:系统电路设计:
1 前级放大电路:
前级放大电路有两级OPA820ID 构成,此芯片为单电源15V 供电。第一
级放大倍数为5倍,在其同向输入端加入直流偏置。两极反相输入端对地电阻并接一30pf 的可调电容,一方面起补偿作用,另一方面通过其阻抗的变化进而影响频率来展宽通频带,使高频顺利通过。电路如图所示:
(前级放大电路如下)
2 功率放大电路
功率放大电路以集成高速功率放大器THS3091ID 为核心,驱动负载能力较大,低噪声,采用并联三个THS3091D 高速宽带放大器,电路简单,增益可调,而且方便调试,为防止自激,我们采用输入电压从反相输入端输入,由于THS3091ID 为单电源供电,所以在其同相输入端加入直流偏置电路,以使同相输入电压为Vcc/2.其原理图见下。总放大倍数为4倍。而其在输出端能实现大电流输出,实现起来简便易行,易于调试,且噪音小。
四 抗干扰措施
(1)将增益控制电路和功率放大电路分别装在屏蔽盒中,通过同轴电缆相连,避免极间干扰和高频自激。
(2)系统全部采用印制板,元器件尽量排布紧凑,连线尽量短,设置合理线宽实现阻抗匹配,元器件尽量采用表贴封装。
(3)在电路板下面采用铜板接地,增大系统的接地面积,减小地线上的噪声。
五 测试条件与测试数据及表格
2数据测试方案、测试结果及分析 (1)最大输出电压有效值测量
输入端加设置输入信号频率为1MHZ 正弦波,调节电压和增益测得不失真最大输出电压有效值。 输入有效值:100mv 预置增益:40db 输出有效值:10.2v (2)输出噪声电压测量
增益调节到40dB, 将输入端短路,输出电压有效值:0.07v (3)频率特性测试
增益预置为40dB, 输入峰峰值为100mV 的正弦波,改变输入信号的频率,示波器测量不同频率时输出的有效值。
(4)高增益测试
200mV 的正弦信号,改变输入信号的频率,测量输出信号的峰峰值,计算出实际增益。
(5)测试结果分析
系统能够满足所有要求,并有一定提高。其中误差主要来源于控制电压与增益存在一定的非线性度。但在误差允许范围内,本次实际符合所有要求。
六 总结
系统能够满足题目所有要求,并作了一定的扩展。在设计过程中充分考虑制作成本和功耗,在各放大档设计尽量使用电阻分压形式来减少运放个数,系统以低耗的三种芯片作为核心,采用低功耗模式,尽可能提高电源利用效率。
附录
(功率放大电路如下图)
(供电电路如下图) R2
J1504