一種新型寬帶放大器的設(shè)計(jì)

尚冬梅，劉黨軍，張雄堂

（1.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054；2.國(guó)網(wǎng)甘肅檢修公司，甘肅 蘭州 730030）

在當(dāng)前微電子技術(shù)快速發(fā)展的背景下，寬帶運(yùn)算放大器的作用越來(lái)越凸顯，其在科技應(yīng)用中占據(jù)至關(guān)重要的地位[1]。本文利用低噪聲、高速、高頻寬帶集成運(yùn)算放大器，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)寬帶放大器。該放大器由高精度、寬頻帶運(yùn)放OPA820和功率放大器THS3091組成，放大器在20 Hz～10 MHz頻帶內(nèi)增益起伏，獲得了平滑的頻率特性。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要由前級(jí)放大器OPA820、末級(jí)功率放大器THS3091構(gòu)成寬帶放大器。通過(guò)峰值檢測(cè)電路，將檢測(cè)信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，并由液晶顯示器顯示，如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)方案比較

1.2.1 前級(jí)放大

方案一：前級(jí)放大的目標(biāo)主要由晶體管和運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)?？蛇x擇多級(jí)放大電路，以更好地滿(mǎn)足增益大于40 dB的要求。本方案中，因三極管等分立元件應(yīng)用較多，導(dǎo)致電路相對(duì)繁雜，調(diào)整難度較大，特別是增益的定量調(diào)節(jié)，難度更大。

方案二：利用前級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)。該電路由兩級(jí)運(yùn)放級(jí)聯(lián)構(gòu)成，可對(duì)各種輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)前級(jí)放大。采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)可以減小失真、震蕩、噪聲，加大帶寬。這里要求的是單電源供電，指定使用芯片（THS3091、OPA820、TPS61087DRC）、增益范圍（≥40 dB）以及信號(hào)頻率（20 Hz～10 MHz）的分析。本系統(tǒng)輸入的是微弱信號(hào)，若用單級(jí)運(yùn)放，放大倍數(shù)太大易產(chǎn)生失真、震蕩、減小帶寬，從而加大噪聲。

綜上所述，為了得到較好的信號(hào)，選擇采用方案二。

1.2.2 功率放大

方案一：寬帶放大器使用集成電路芯片。主要是因?yàn)榧呻娐沸酒哂须娐泛?jiǎn)單、性能穩(wěn)定、應(yīng)用便捷及文檔說(shuō)明詳細(xì)等優(yōu)點(diǎn)。然而，10 V有效值輸出和帶寬難以達(dá)到20 Hz～10 MHz。

方案二：后級(jí)放大器采用功率放大器自行搭建。前級(jí)主要采用運(yùn)放放大信號(hào)電壓，后級(jí)先用分立元件搭成功率放大電路，在此基礎(chǔ)上再對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大。盡管應(yīng)用分立元件來(lái)設(shè)計(jì)的過(guò)程和調(diào)試都比較復(fù)雜，但可獲得更合適的參數(shù)。另外，可根據(jù)實(shí)際需要更換電阻電容。

綜合分析兩種方法，本文選擇分離元件設(shè)計(jì)后級(jí)功率放大器。

1.2.3 峰值檢測(cè)

方案一：電壓采樣使用的是高速ADC，用戶(hù)只要將一周期數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)，通過(guò)均方根值計(jì)算，就能得到電壓有效值。該方案調(diào)試難度較大，且高頻采樣及計(jì)算量大，但優(yōu)點(diǎn)是能較好地抵抗干擾，檢測(cè)精度高且設(shè)計(jì)靈活。

方案二：精密整流信號(hào)并積分，就可得到正弦電壓的平均值；高頻采樣后，再通過(guò)簡(jiǎn)單換算，便可得到有效值顯示。交流信號(hào)有效值測(cè)量簡(jiǎn)單，但由于信號(hào)較小，極易產(chǎn)生誤差，因此不考慮此方案。

方案三：利用簡(jiǎn)單的峰值采樣電路直接輸出峰峰值，再由ADC采樣。這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意波形的峰峰值測(cè)量，減小信號(hào)波動(dòng)產(chǎn)生的誤差。

綜上所述，由于要求的帶寬上限為10 MHz，信號(hào)在一定區(qū)間內(nèi)有一定的失真、波動(dòng)以及外界干擾，信號(hào)處于波動(dòng)，有效值很難達(dá)到要求，故采用方案三。

2 理論分析與計(jì)算

2.1 電源模塊

采用大電容濾波、橋式全波整流、三端穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓方式，利用穩(wěn)壓芯片7805產(chǎn)生5 V直流電壓。由于本系統(tǒng)對(duì)電源紋波要求較高，為了滿(mǎn)足要求，在5 V輸出端再接一大電容濾波。末級(jí)采用DC-DC轉(zhuǎn)化器TPS61087DRC，將5 V電壓提高到18 V，提供給功率放大芯片THS3091，使其輸出最大峰峰值大于10 V。

2.2 前級(jí)放大電路

由于信號(hào)源輸出幅值因接負(fù)載隨頻率增大而衰減，在信號(hào)輸入端加入一個(gè)電壓跟隨器，更改信號(hào)源的輸出電阻，減弱信號(hào)源幅值衰減，以減小測(cè)量誤差。在二級(jí)放大電路中，再加一個(gè)電壓跟隨器。本系統(tǒng)輸入的是微弱信號(hào)，采用兩級(jí)運(yùn)放放大，每級(jí)放大倍數(shù)都不大，較好地減小了輸出信號(hào)噪聲、輸出信號(hào)失真和震蕩，同時(shí)增大了帶寬。因此，該系統(tǒng)采用兩級(jí)運(yùn)放級(jí)聯(lián)電路。

2.3 末級(jí)放大電路

用低失真電流反饋型運(yùn)放THS3091構(gòu)成同相放大電路，能將新信號(hào)進(jìn)行放大，一般可達(dá)到3～5倍，輸出電流為250 mA（50 Ω負(fù)載），THS3091擺率為7 300 V/μs。為提高后級(jí)驅(qū)動(dòng)力，采用三個(gè)THS3091并聯(lián)方式，并在每個(gè)運(yùn)放后面串接2 Ω的均流電阻。供電方式為功放級(jí)與前級(jí)單獨(dú)供電，運(yùn)放電源引腳就近接高頻去耦電容，避免產(chǎn)生自激問(wèn)題。此外，采取良好的散熱措施，防止因功放工作發(fā)熱嚴(yán)重影響運(yùn)放性能。在轉(zhuǎn)接板背面固定鋁片，可達(dá)到散熱目的。鋁片也用來(lái)構(gòu)成地平面，吸收高頻噪聲。

2.4 峰值和有效值檢測(cè)

峰值與有效值成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，只要測(cè)出其中某一個(gè)數(shù)值，就可由公式計(jì)算出另一個(gè)數(shù)值。考慮到帶寬范圍較大，用有效值電路較難準(zhǔn)確測(cè)出其數(shù)值。所以，采用峰值對(duì)電路測(cè)量進(jìn)行檢測(cè)。

峰值檢波電路主要包括二極管電路和電壓跟隨器兩部分。輸入電壓正半周，如果通過(guò)，則電路中開(kāi)關(guān)管D1導(dǎo)通，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電容C1充電至峰值[2]。為降低前一頻率測(cè)量對(duì)后一頻率測(cè)量的影響，設(shè)計(jì)用單片機(jī)控制三極管的基極，這樣將能產(chǎn)生大約10 μs的高電平，從而使電容放電，以防止對(duì)幅值測(cè)量精度產(chǎn)生影響。為降低D1的壓降對(duì)測(cè)量精度的影響，在輸入端提供一個(gè)直流偏置。依據(jù)被測(cè)信號(hào)的頻率合理選擇電容C1的取值，同時(shí)使用高頻二極管，能極大提升測(cè)量范圍的頻率上限。

3 性能測(cè)試

3.1 測(cè)試方法

（1）將各部分電路連接，放大部分通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)反饋端阻值調(diào)整運(yùn)放放大倍數(shù)，最后輸出端接50 Ω的負(fù)載電阻進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，測(cè)試其頻率、輸入幅值、輸出幅值以及看其波形是否失真，并且記錄數(shù)據(jù)。

（2）測(cè)得輸出噪聲電壓方法。將放大器的輸入端接地，用示波器測(cè)量輸出電壓。

3.2 測(cè)試儀器

TDS1002數(shù)字示波器；TH1951 5 1/2數(shù)字萬(wàn)用表；TAITAN數(shù)字萬(wàn)用表；F40型數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器。

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)

所測(cè)試數(shù)據(jù)如表1、表2、表3所示。

表1 10 kHz以下的測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 10 kHz到1 MHz的測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 1 MHz以上的測(cè)試數(shù)據(jù)

3.4 測(cè)試結(jié)果與分析

3.4.1 測(cè)試結(jié)果

觀察測(cè)試信號(hào)及以上數(shù)據(jù)，可以得知以下幾種現(xiàn)象：

（1）輸入的幅值隨頻率增加而減小，尤其是在1 kHz以下和1 MHz以上變化時(shí)，幅值改變的速率比一般情況降低得快得多。

（2）在多級(jí)放大過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)有一些雜波，加一個(gè)電容或電感就會(huì)消失。同時(shí)，在每級(jí)放大輸入信號(hào)的幅值總要減小，通常需加一個(gè)電壓跟隨器。

3.4.2 誤差分析

人為讀數(shù)會(huì)導(dǎo)致一定誤差，加之磁場(chǎng)、溫度等周?chē)h(huán)境因素也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定影響，容易導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)達(dá)不到理論計(jì)算值。為解決此問(wèn)題，本文利用多次測(cè)量求平均值的方法，將誤差控制在5%以下。另外，手工制作的整個(gè)電路系統(tǒng)，不可避免會(huì)存在阻抗匹配不嚴(yán)格的問(wèn)題。因此，布線時(shí)可能會(huì)受線路間、外界磁場(chǎng)的干擾與影響，干擾抑制還有待進(jìn)一步提升。

4 結(jié) 論

利用高精度、寬頻帶運(yùn)放OPA820和功率放大器THS3091，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)寬帶放大器。測(cè)試結(jié)果表明，該放大器在20 Hz～10 MHz頻帶內(nèi)增益起伏，獲得了平滑的頻率特性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 程知群，軒雪飛，劉國(guó)華，等.基于GaN HEMT寬帶高效率功率放大器的設(shè)計(jì)[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，37（6）：1-4.

[2] 馬延軍，朱代先，龐立華，等.射頻寬帶放大器設(shè)計(jì)在電子競(jìng)賽指導(dǎo)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017，34（10）：94-97.