0 引言
放大電路在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中,, 特別是在一些測量儀器和自動(dòng)化控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。如在一些自動(dòng)控制系統(tǒng)中,, 首先要把被控制的非電量( 如溫度,、轉(zhuǎn)速、壓力,、流量、照度等) 用傳感器轉(zhuǎn)換為電信號,, 再與給定量比較,, 得到一個(gè)微弱的偏差信號。因?yàn)檫@個(gè)微弱的偏差信號的幅度和功率均不足以推動(dòng)顯示或者執(zhí)行機(jī)構(gòu),, 所以需要把這個(gè)偏差信號放大到需要的程度,,再去推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或送到儀表中去顯示, 從而達(dá)到自動(dòng)控制和測量的目的,。同時(shí)在很多信號采集系統(tǒng)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(zhuǎn)換的量程, 所以必須根據(jù)信號的變化相應(yīng)調(diào)整放大器的增益,。在自動(dòng)化程度要求較高的系統(tǒng)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(dòng)將增益調(diào)整到適當(dāng)?shù)姆秶?。本文采用T I 公司的高速運(yùn)算放大器OPA820 作為第一級放大電路進(jìn)行11 倍的放大,, 采用T I 公司電流反饋性運(yùn)放THS3091 作為末級放大電路進(jìn)行11 倍的放大, 并作為功率放大器驅(qū)動(dòng)50 Ω阻性負(fù)載,, 在輸出負(fù)載上,, 放大器最大不失真輸出電壓峰峰值可達(dá)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(jī), 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(shí)際應(yīng)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(tǒng)總體框圖如圖1 所示,。
圖1 系統(tǒng)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(yīng)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(zhuǎn)印法手工制PCB工藝,, 盡量減少分布參數(shù)的影響。
1 單元電路設(shè)計(jì)
1. 1 電源模塊設(shè)計(jì)
由于在實(shí)際應(yīng)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??梢詫?. 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(gè)頻段上。輸出電流可高達(dá)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(guān)電流可達(dá)1. 5 A, 也可構(gòu)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(shè)計(jì)
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(diào)電壓為± 700 nV, 25℃ 最多輸入失調(diào)電壓為± 400 nA,。
采用高速運(yùn)算放大器OPA 820 作為第一級放大電路( 如圖3) 進(jìn)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(jìn)線處加0. 1p 和2. 2p的旁路電容進(jìn)行濾波。輸出信號進(jìn)入后級放大電路進(jìn)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(shè)計(jì)
T HS3091 是一款高電壓,, 低失真, 電流反饋放大器,。
轉(zhuǎn)換速率為7300 V/s , 增益帶寬積為420 MHz, 輸出電流高達(dá)±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(shè)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(yùn)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(shí)對信號幅度和功率進(jìn)行放大,。驅(qū)動(dòng)后級的50 Ω負(fù)載,, 同時(shí)輸出信號傳入峰值檢測模塊中。
1. 4 峰值檢測電路設(shè)計(jì)
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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)電路和積分電路如圖6所示,。
圖6 增益調(diào)節(jié)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(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行控制。
單片機(jī)主要完成對AD 從峰值檢測電路采集的信號進(jìn)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(shè)計(jì)的主要措施
1) 布線合理。放大器輸入回路的導(dǎo)線和輸出回路,、交流電源的導(dǎo)線彼此要分開, 不要平行輔設(shè)或捆扎在一起,, 以免相互感應(yīng),。
2) 濾波,。為防止電源串入噪聲信號, 電源線的進(jìn)線處加濾波電路,。
3) 選擇合理的接地點(diǎn),。在多級放大器電路中, 如果接地處安排不當(dāng),, 也會(huì)造成嚴(yán)重的噪聲,。本文采取PCB制板, 將合理的接地點(diǎn)進(jìn)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(shè)計(jì)
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(chǎn)生正反饋?zhàn)饔谩?/font>
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(dòng)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(jié)果
2. 1 放大器的基本性能測試
測試方法: 通過函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)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(shù),, 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(jīng)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(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生峰峰值為5 mV, 頻率分別為1~ 20 Hz ( 步進(jìn)為1 Hz ) , 100 Hz, 1 kHz,10 kHz, 100 kHz, 1~ 20 MHz( 步進(jìn)為1 MH z) 正弦波送入示波器進(jìn)行測量并描點(diǎn)制圖如圖9,。測試條件: 50 Ω阻性負(fù)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(nèi)波動(dòng)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(jìn)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(jié)束語
本系統(tǒng)采用T I 公司的高速運(yùn)算放大器OPA820 和T HS3091 以及MSP430 單片機(jī)、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(dá)到43 dB, 帶寬在6 H z~ 20 MHz, 放大器輸出電壓( 峰峰值) 達(dá)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(yōu)越,。實(shí)踐證明在自動(dòng)化要求較高的系統(tǒng)中具有很好的實(shí)用性。