基于OPA820寬帶放大器的設(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(jí)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(hào)， 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(hào)進(jìn)入后級(jí)放大電路進(jìn)行放大（ 如圖4） 。

圖3 第一級(jí)放大電路

圖4 第二級(jí)放大電路[!--empirenews.page--]

　　1. 3 后級(jí)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(jí)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(duì)信號(hào)幅度和功率進(jìn)行放大。驅(qū)動(dòng)后級(jí)的50 Ω負(fù)載， 同時(shí)輸出信號(hào)傳入峰值檢測(cè)模塊中。

　　1. 4 峰值檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

　　峰值檢測(cè)電路由兩級(jí)電路組成： 第一級(jí)是整流電路，第二級(jí)是增益調(diào)節(jié)電路和積分電路。第一級(jí)整流電路如圖5 所示。

圖5 整流電路

　　第二級(jí)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[!--empirenews.page--]

　　3） 在放大器各級(jí)電路之間加入電源去耦電路， 以消除級(jí)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(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

　　2. 1 放大器的基本性能測(cè)試

　　測(cè)試方法： 通過(guò)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率和幅度的正弦波， 通過(guò)該寬帶放大器， 輸出顯示在示波器上。從而測(cè)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(cè)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(cè)試

　　測(cè)試方法： 用函數(shù)信號(hào)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(cè)量并描點(diǎn)制圖如圖9。測(cè)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(cè)試

　　測(cè)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(cè)量， 觀察輸出噪聲波形， 測(cè)量出放大器的輸出噪聲。通過(guò)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(yǔ)

　　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(hào)及寬帶信號(hào)均無(wú)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。

　摘要： 設(shè)計(jì)了一種寬帶放大器， 采用高速運(yùn)算放大器OPA820 和低失真電流反饋運(yùn)算放大器T HS3091 構(gòu)成兩級(jí)放大電路，在6 H z~ 20 MHz 的通頻帶中實(shí)現(xiàn)放大增益為43 dB, 具有帶內(nèi)波動(dòng)小， 輸出噪聲低的特點(diǎn)。同時(shí)將單一的5 V 電源通過(guò)TPS61087 和MC34063A 產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的正負(fù)電源為放大器供電。放大器輸出經(jīng)過(guò)精密峰值檢波電路后得到信號(hào)的峰峰值， 再對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后送MSP430 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、顯示。對(duì)提高寬帶放大器的各種性能指標(biāo)提出了多種具體措施，在自動(dòng)化要求較高的系統(tǒng)中具有很好的實(shí)用性。

　　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(cè)量?jī)x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(hào)， 再與給定量比較， 得到一個(gè)微弱的偏差信號(hào)。因?yàn)檫@個(gè)微弱的偏差信號(hào)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(hào)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(cè)量的目的。同時(shí)在很多信號(hào)采集系統(tǒng)中， 信號(hào)變化的幅度都比較大， 那么放大以后的信號(hào)幅值有可能超過(guò)A/ D 轉(zhuǎn)換的量程， 所以必須根據(jù)信號(hào)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(jí)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(jí)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(guò)兩級(jí)放大放大器電壓增益≥40 dB。輸出的信號(hào)通過(guò)峰值檢測(cè)模塊， 通過(guò)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(lái)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(lái)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(jí)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(lái)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(lái)為前級(jí)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?？梢詫?~ 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

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