毕业论文宽带放大器的简便设计法.doc

毕业论文（设计）开题报告姓名：鲁泉 学号：09020222 专业：电子信息科学与技术 指导老师：李超英毕业论文（设计）题目： 宽带放大器的简便设计法 1、查阅文献资料摘要本作品通过采用单位增益稳定宽带低噪声电压反馈运算放大器OPA820ID和高速电流反馈运算放大器THS3091D作为放大电路，并利用DC-DC变换器TPS61087DRC为末级放大电路供电，实现了放大器电压增益40dB(100倍) ，下限截止频率不高于20Hz，上限截止频率不低于5MHz（扩展上限频率不低于10MHz），在输出50负载上，放大器最大不失真输出电压峰峰值10V。当放大器输入为正弦波时，可测量并数字显示放大器输出电压的峰峰值和有效值。系统由前级放大模块，中间级放大模块，末级功率放大模块，单片机显示模块和电源模块（ACDC和DCDC）构成。本系统综合应用了电容、电感和电子稳压滤波等抗干扰措施以抑制放大器的噪声，合理排板、布线，有效抑制高频自激，改善了放大器的稳定性，较好的实现了基础部分和发挥部分的要求。2、立题依据及主要研究内容、方案及思路立题依据：（1）随着社会生产力的发展，人们迫切地要求能够远距离随时随地迅速而准确地传送多媒体信息。于是，无线通信技术得到了迅猛的发展，技术也越来越成熟。而宽带放大器是上述通信系统和其它电子系统必不可少的一部分。由此可知，宽带放大器在通信系统中起到非常重要的作用，于是人们对它的要求也越来越高。（2）我们已经学习了有关放大器的结构功能，及它其他的一些作用，这使我们对它有了基本的了解，因此选择这个题目是可行的（3）随着微电子技术的发展，宽带运算放大器在科技应用中起着越来越重要的作用。宽带运算放大器已经广泛应用于加与D，A转换器、有源滤波器、积分器、精密比较器、波形发生器和视频放大器等各种电器中，这些电路不仅要求提高运算放大器的频带宽度、转换速率和电压增值，同时还要降低其输入失调电压和电流以及温度漂移。我选这个题目主要是将理论应用到实际生活中。主要研究内容：1.1 课题研究背景 1.2 宽带放大器的发展状况 1.3本文的研究内容及意义2 宽带放大器的概述 2.1宽带放大器的简介2.1.1什么是宽带放大器2.1.2宽带放大器的分类2.2宽带放大器的工作原理3 宽带放大器的简便设计3.1宽带放大器的理论设计原理3.2宽带放大器的设计方法4 宽带放大器的实例4.1宽带放大器的设计实例4.2宽大放大器的实验测试结果 研究方案（思路）：1、系统总体方案根据设计要求，本系统总共分为五大部分：第一部分：前级放大模块。通过OPA820ID宽带电压运放，实现对输入小信号放大10倍（20dB）的功能；第二部分：中间级放大模块。采用OPA820ID宽带电压运放，实现信号的5倍（14dB）放大的功能； 第三部分：功率放大模块。采用驱动负载能力较大的THS3091D放大器实现，其压摆率高，且能支持±5V±15V的供电，THS3091D能够驱动50负载电阻。本级实现信号的约3倍（8dB）放大的功能；第四部分：单片机显示模块。输入为正弦波时，数字显示放大器输出电压的峰峰值和有效值；第五部分：电源变换模块。采用升压型DC-DC变换器TPS61087设计的开关电源，为末级放大电路提供+18V直流电源。2、系统总体框图 输出检波F430 2274单片机显示电源OPA820ID（20dB）OPA820ID（14dB）THS3901（约8dB）DC-DC变换器TPS61087电源AC-DC 直流电源电源 信号输入 信号输出 AC220V输入 DC+5V二、理论分析与计算1、增益分配：本题目要求放大器电压增益40dB(100倍)，最大不失真输出电压峰峰值10V，根据公式：电压增益=20lg|Av|dB，以及通过实验，为了消除自激，我们最终采用三级放大，算出|Av|=|Av1* Av2* Av2|100，初级由0PA820D实现20dB的放大，中间级由0PA820D实现14dB的放大，末级放大由THS3091D实现约8dB的放大。因此，给第一级放大电路分配10倍增益，给第二级放大电路分配5倍增益，给末级放大电路分配约3倍增益。由此可以算出电阻比值，对于反相放大电路，公式为：Av=RfR1。2、带宽增益积（GBP）：带宽增益积是衡量放大器性能的一个参数，这个参数表示的是增益和带宽的乘积，即GBP= A*BW，题目要求在最大增益下，放大器下限截止频率fL不高于20Hz，上限截止频率fH不低于5MHz（扩展上限频率不低于10MHz），所以，带宽BW=fHfL。3、放大器稳定性： 放大器稳定性是指在其带宽范围内幅频曲线的稳定性。 提高放大器的稳定性，可以采用相位补偿的方法，增加其零点，抵消极点来实现。 在调试过程中，在电压反馈型运放OPA820ID，我们引入电容进行相位补偿；对于高速、宽带的电流反馈型运放THS3091D，我们特别注意了走线布局，如反馈环一定要走最短路线，因为长的线也会引起更大的附加相移；计算选择了合适的反馈电阻阻值，使其不因阻值太大而产生更大的分部电容，导致更大的附加相移，也不因阻值太大而降低放大器的带宽。另外，合理排板、布线，有效地抑制了高频自激，改善了放大器的稳定性。 为了尽可能的降低放大器的输出噪声，我们降低了输入阻抗（用两个100的电阻并联成50的电阻）。另外在设计各个模块时，我们综合运用了多种方法以降低噪声，比如用三极管有源稳压、滤波以及电感，电容滤波等。三、电路与程序设计1、前级放大电路的设计： 题目限定采用高速运算放大器OPA820ID作为第一级放大电路，它有如下特性：OPA820ID是一种单位增益稳定低噪声电压反馈运算放大器，它拥有2.5nV/Hz的低噪声，+5V +12V的单电源供电，当增益为+2时，带宽高达240MHz。实现10倍电压增益放大。满足题目要求，所以适合采用。 本级电路中，采用由电子稳压滤波的+6.8V单电源直流供电。电路中，反馈电阻R11（1K）上并联C34（5PF）电容，能有效消除高频自激。具体电路如下图所示：2、中间级放大模块的设计： 由于在设计调试时，为了增加有效带宽，所以考虑再加一级放大，结合资料，最终加入能实现5倍放大的OPA820ID作为中间级放大电路。本级电路中，采用由电子稳压滤波的+10V单电源直流供电。电路中，反馈电阻R12（1K）上并联C9（5PF）电容，能有效消除高频自激，使放大器能够稳定地工作。具体电路如下图所示：2、末级功率放大电路的设计： 功率放大采用THS3091D来实现2倍电压增益放大。THS3091D为单路高压低失真电流反馈运算放大器，具有7300V/s高压摆率，±5 V ±15 V的宽供应电源，当增益设为2时，其带宽为210MHz。本级电路中，采用升压型DC-DC变换器TPS61087设计的开关电源，为末级放大电路提供+18V直流电源。功放的具体电路图如下所示：3、电源设计：按整体设计要求，需要一个AC-DC的直流电源，提供+5V直流电源，另外还要用DC-DC变换器，采用TPS61087DRC设计一个升压电源为末级放大电路供电。TPS61087是一个具有强制 PWM 模式的 18.5V、3.2A、650kHz/1.2MHz 升压 DC-DC 转换器。在本设计中，我们通过匹配反馈电阻，使输出电压达到了+18V，这样更有利于放大电路最终的10V峰-峰值输出电压的实现。电路如下图所示：待添加的隐藏文字内容1 四、系统方案与测试结果1、测试仪器清单序号仪器名称型号1函数信号发生器EE1641B2模拟示波器VD252M3直流稳压电源YB1732A3A4数字万能表VC930F2、测试方法与数据测试方法：准备阶段：将函数信号发生器的50欧函数信号输出口接被测放大器的输入端，输出幅度调为0.2V，频率调为1kHz做标准，先用示波器接输入，查看电压峰峰值是否为 0.1V。因为函数信号发生器内涵50欧电阻与输入端100欧电阻和100欧电阻并联产生的50欧电阻分压，使输入端电压值为信号发生器上电压值的一半。 测试阶段：被测放大器的输出端接示波器，先调整信号源频率为1kHz，调整输入信号电压，使输出电压峰峰值为10V，作为频率特性的参考点。然后调节频率（20Hz10MHz），观察示波器上电压峰峰值，并记录在下表中。测试表格：频率（）20100500510Ui（）0.18V，实际输入电压为0.09VUo（）8.49.810101011.611.611.2AV（dB）39.440.841414142.642.642.2频率特性-1.6-0.2000+1.6+1.6+1.23、测试结果分析从测试数据可以看出：在测量频率范围内，电压峰峰值在-1.6dB+1.6dB，在输出50负载电阻上，放大器最大不失真输出电压峰峰值10V。达到题目基本要求和发挥部分要求。五、总结综合上述各部分的测试结果：本设计圆满完成了题目基本部分的要求，还较好地完成了题目发挥部分的要求。各种降低噪声措施的综合应用保证放大器稳定工作并且降低了噪声。通过这几天的设计竞赛，我们不但增强了实践能力和协作精神，而且懂得了理论联系实际的必要性，使我们受益匪浅。本系统综合应用了电容、电感和电子稳压滤波等抗干扰措施以抑制放大器的噪声。通过设计电路，安装、调试电路，我们深刻地感受到：在设计和制作高频电子产品时，除了电路设计正确，元器件选型合理外，合理的排板、布线，在某些时候显得更为重要，能够有效抑制高频自激，改善了放大器的稳定性，较好的实现了设计的要求。当然，由于我们的知识与实践有限，还存在一定的问题，有点遗憾，为此我们会在将来的设计中进一步提高，最后非常感谢学校的培养以及全国大学生电子设计竞赛委员会及TI公司给予我们的这次锻炼机会！六、附录1、参考文献1.康华光主编 电子技术基础模拟部分（第五版） 高等教育出版社2.高吉祥主编 全国大学生电子设计竞赛培训系列教程模拟电子线路设计电子工业出版社3.谢子美主编 电子线路设计-实验-测试（第二版）华中科技大学出版社 4.李朝青编著 单片机原理及接口技术（第三版）北京航天航空大学出版社20052、该系统电路原理图3、电源电路原理图指导老师审核意见 指导教师（签名）： 年 月 日