王鵬云

（寶雞文理學(xué)院 電氣系，陜西 寶雞 721016）

寬帶直流放大器是將輸出的微弱信號或通信接收端接收到的空中微弱信號進(jìn)行提取、放大。只有將信號放大到一定程度才能滿足后級設(shè)備的要求，使得分析結(jié)果正確。同時(shí)很多電工設(shè)備還要求具有一定輸出功率，才能驅(qū)動(dòng)后級設(shè)備或使通信的發(fā)射端將信號有效傳輸?shù)浇邮斩?。然而面對多種多樣的放大要求，現(xiàn)在的放大電路多采用集成電路形式，難以在頻帶、增益動(dòng)態(tài)范圍、功率等參數(shù)上滿足實(shí)際要求，因此本文提出基于單片機(jī)MSP430F449的寬帶直流放大器，將滿足0～10 M帶寬范圍內(nèi)的小信號，實(shí)現(xiàn)0～100 dB增益的可調(diào)范圍[1－2]。

1 系統(tǒng)簡介

單片機(jī)MSP430F449為控制芯片，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)主要由6個(gè)模塊組成：直流穩(wěn)壓源、前級放大電路、可控增益放大電路、濾波器、功率放大以及控制和顯示模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 寬帶直流放大器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 A broadband DC amplifier structural figure of system

輸入信號先經(jīng)過阻抗匹配后進(jìn)入40倍固定增益放大器OPA847，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)端對前級放大器引入的直流和直流零點(diǎn)漂移進(jìn)行補(bǔ)償后，進(jìn)入可控增益放大模塊。該模塊由AD603配合以固定增益檔組成，實(shí)現(xiàn)－14～86 dB的手動(dòng)或程控增益調(diào)節(jié)。其中MSP430F449單片機(jī)來控制雙路數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5638實(shí)現(xiàn)AD603的程控增益調(diào)節(jié)和整體后級放大模塊引入的直流的軟件補(bǔ)償。隨后信號進(jìn)入濾波器模塊和功率放大電路，由單片機(jī)控制濾波器帶寬限制模塊，該部分由切換繼電器實(shí)現(xiàn)。最后一級功率放大器放大固定的增益14 dB，最終實(shí)現(xiàn)0～100 dB增益可調(diào)范圍。

2 放大器理論分析

2.1 放大器帶寬增益積

電壓反饋型（VFB）運(yùn)算放大器的增益和帶寬存在一定的關(guān)系：從對應(yīng)的波特圖上可以看出，從直流到反饋環(huán)路的主極點(diǎn)所決定的截止頻率Fc之間，增益保持不變，若超出截止頻率范圍，則頻率升高一倍，增益減半。設(shè)運(yùn)算放大器3 dB帶寬為Fc，增益越高帶寬越窄，則有帶寬增益積BW·Au=常數(shù)，Au為放大器放大倍數(shù)。所以電路設(shè)計(jì)時(shí)，放大器帶寬和增益要折衷選擇。

假設(shè)放大電路的高頻響應(yīng)用以下單極點(diǎn)函數(shù)[3]表示。

其中Am為放大器的中頻增益，ω為角頻率，上限角頻率的倒數(shù)。引入負(fù)反饋并假設(shè)反饋網(wǎng)絡(luò)中反饋系數(shù)是與頻率無關(guān)的實(shí)數(shù)B時(shí)，有

將（1）式代入（2）式得

從（3）式可知，反饋中頻增益為 Amf=Am/（1+AmB），上限角頻率ωHf為

由此說明，引入負(fù)反饋后，放大電路的上限頻率擴(kuò)展了并與反饋深度F有關(guān)。

由于本系統(tǒng)直流寬帶放大器，其下限角頻率為零赫茲，所以無饋時(shí)放大器的通頻帶BW=fH，引入負(fù)反饋后，放大器的通頻帶變?yōu)?/p>

（5）式表明，引入負(fù)反饋后放大器通頻帶擴(kuò)展到無反饋時(shí)的（1+AmB）倍。而且有

而對于電流反饋型）CFB）運(yùn)算放大器而言，在電流反饋運(yùn)放中，開環(huán)響應(yīng)是輸出電壓對輸入電流的響應(yīng)。因此，與電壓反饋運(yùn)放不同，電流反饋運(yùn)放輸入和輸出之間的關(guān)系不是用增益表示，而是用跨阻表示。電流反饋運(yùn)放的跨阻在一般在500kΩ～1MΩ之間。 因此電流反饋運(yùn)放沒有恒定的增益帶寬積。即當(dāng)增益隨著頻率增加而降低時(shí)，降低的規(guī)律就不是增益衰減一半，帶寬擴(kuò)展一倍了。電流反饋運(yùn)放可以在較寬的增益范圍內(nèi)保持高帶寬，但這是以犧牲限制反饋?zhàn)杩篂榇鷥r(jià)的。

本系統(tǒng)中使用的 OPA847，THS3001，THS3095帶寬增益積分別為 3.9 GHz，420 MHz，20 MHz。 當(dāng)然，改善系統(tǒng)幅頻特性不僅僅考慮帶寬增益積，還要考慮其他因數(shù)如運(yùn)放的擺率、驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力和小信號放大后的輸出信號質(zhì)量等。

2.2 放大器穩(wěn)定性分析

1）產(chǎn)生自激振蕩的條件及原因：設(shè)多級點(diǎn)反饋放大器的閉環(huán)增益函數(shù)[4.5]

令s=jω，則穩(wěn)態(tài)頻率響應(yīng)

上式中，若在某一頻率 ωosc上，滿足環(huán)路增益 T（jωosc）=-1，則

式中

由（8）式可知，當(dāng) T（jωosc）=-1 時(shí)，環(huán)路增益函數(shù) Af（jωosc）→∞。這說明輸入信號為零時(shí)，仍有某一頻率的信號輸出，因此反饋放大器出現(xiàn)自激。其中（10）式稱為自激的幅度平衡條件，而式（11）稱為自激的相位平衡條件。幅度平衡條件與反饋的深度有關(guān)，而相位平衡條件取決于反饋系統(tǒng)的附加相移。由此可見，反饋系統(tǒng)必須同時(shí)滿足幅度和相位的平衡條件才能出現(xiàn)自激。

2）穩(wěn)定性分析：上式結(jié)論得到，如果放大電路不滿足自激的幅度條件或相位條件，就不會(huì)自激或成為正反饋電路，即電路是一穩(wěn)定的放大電路。但實(shí)際應(yīng)用中，要保證放大器穩(wěn)定工作，僅僅滿足上述不自激條件是不充分的，若放大器處于接近自激條件狀況下，一旦外界因素發(fā)生變化導(dǎo)致T（jω）變化，就有可能滿足自激條件使電路不穩(wěn)定，因此要保證放大器遠(yuǎn)離自激狀態(tài)。這種遠(yuǎn)離程度用穩(wěn)定裕度來表示，它有兩種表示方法，即相位裕量γV或者增益裕量γg（兩種判斷穩(wěn)定性的準(zhǔn)則是等價(jià)的），分別定義為

其中ωg為增益交界角頻率，ωV為相角交界頻率，顯然γV和γg為正值，且值越大放大器越穩(wěn)定。

3 級聯(lián)放大器硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

放大器級聯(lián)設(shè)計(jì)總體分為3個(gè)部分，其中第一級和第三級為固定增益放大。第一級放大器如圖2所示。圖中低電壓噪聲芯片OPA847實(shí)現(xiàn)40倍的固定倍數(shù)放大[6]。增益帶寬積高達(dá)3.9 GHz，在大于 1 MHz的模擬輸入電壓噪聲為 0.85 nV/Hz并且有 950 V/μs的擺率。放大器輸入端使用滑動(dòng)變阻器R6實(shí)現(xiàn)手動(dòng)失調(diào)電壓等的補(bǔ)償。

圖2 第一級放大器Fig.2 The first level amplifier

該放大器使用3個(gè)繼電器和4片高性能運(yùn)放實(shí)現(xiàn)100 dB的增益調(diào)節(jié)[7]。如圖3所示，繼電器 1實(shí)現(xiàn)－6 dB和－26 dB固定增益切換，繼電器2實(shí)現(xiàn)0 dB和－40 dB固定增益切換，繼電器3實(shí)現(xiàn)0 dB和－20 dB固定增益切。AD603實(shí)現(xiàn)0～20 dB的增益調(diào)節(jié)，THS3001實(shí)現(xiàn) 20 dB固定增益放大。

圖3 第二級放大器Fig.3 The second level amplifier

第三級功率放大電路如圖4所示，信號經(jīng)過濾波器以后進(jìn)入功率放大模塊。功率放大采用三級THS3091并聯(lián)以增強(qiáng)運(yùn)放的驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力。

圖4 第三級放大器Fig.4 The third level amplifier

4 軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序控制部分由單片機(jī) MSP430F449完成，主要用來控制繼電器的切換實(shí)現(xiàn)不同增益的切換和濾波器的選擇，控制TLV5638的兩路擬輸出電平，一路產(chǎn)生AD603的控制電壓一路后即放大的失調(diào)直流進(jìn)行補(bǔ)償。軟件流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 The soft flow process chart

5 放大器測試結(jié)果

1）放大器直流增益測試。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 放大器直流增益測試表Tab.1 Amplifier DC gain test table

2）放大器交流增益測試。測試數(shù)據(jù)如表2所示輸入信號頻率為500 kHz，輸入信號以信號有效值為單位。輸出信號以示波器的輸出電壓峰峰值為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出交流增益和相對誤差。 表2中輸入電壓為有效值，實(shí)測電壓是信號的峰峰值。

表2 放大器交流增益測試表Tab.2 Amplifier AC gain test table

從表1和表2中，可以看出，系統(tǒng)中存在一定的增益誤差，這主要來源于AD603提供控制增益的D/A的量化誤差以及AD603控制電壓與增益存在一定程度的非線性度。濾波器在通帶內(nèi)存在的波紋也會(huì)導(dǎo)致增益誤差。

6 結(jié) 論

基于單片機(jī)MSP430F449的寬帶直流放大器[8]，共由6個(gè)主要模塊構(gòu)成，放大器采用三級級聯(lián)的形式，能滿足0～10 M帶寬范圍內(nèi)的小信號，并實(shí)現(xiàn)0～100 dB增益的可調(diào)范圍。通過測試證明了系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。

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