畢業(yè)論文---寬帶放大器的簡便設(shè)計法

1、<p>　　畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告</p><p>　　畢業(yè)論文（設(shè)計）題目： 寬帶放大器的簡便設(shè)計法 </p><p>　　1、查閱文獻(xiàn)資料摘要</p><p>　　本作品通過采用單位增益穩(wěn)定寬帶低噪聲電壓反饋運算放大器OPA820ID和高速電流

2、反饋運算放大器THS3091D作為放大電路，并利用DC-DC變換器TPS61087DRC為末級放大電路供電，實現(xiàn)了放大器電壓增益≧40dB(100倍) ，下限截止頻率不高于20Hz，上限截止頻率不低于5MHz（擴(kuò)展上限頻率不低于10MHz），在輸出50Ω負(fù)載上，放大器最大不失真輸出電壓峰峰值≥10V。當(dāng)放大器輸入為正弦波時，可測量并數(shù)字顯示放大器輸出電壓的峰峰值和有效值。</p><p>　　系統(tǒng)由前級放大模塊，

3、中間級放大模塊，末級功率放大模塊，單片機(jī)顯示模塊和電源模塊（AC－DC和DC－DC）構(gòu)成。本系統(tǒng)綜合應(yīng)用了電容、電感和電子穩(wěn)壓濾波等抗干擾措施以抑制放大器的噪聲，合理排板、布線，有效抑制高頻自激，改善了放大器的穩(wěn)定性，較好的實現(xiàn)了基礎(chǔ)部分和發(fā)揮部分的要求。</p><p>　　2、立題依據(jù)及主要研究內(nèi)容、方案及思路</p><p><b>　　立題依據(jù)：</b><

4、;/p><p>　?。?）隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，人們迫切地要求能夠遠(yuǎn)距離隨時隨地迅速而準(zhǔn)確地傳送多媒體信息。于是，無線通信技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，技術(shù)也越來越成熟。而寬帶放大器是上述通信系統(tǒng)和其它電子系統(tǒng)必不可少的一部分。由此可知，寬帶放大器在通信系統(tǒng)中起到非常重要的作用，于是人們對它的要求也越來越高。</p><p>　?。?）我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了有關(guān)放大器的結(jié)構(gòu)功能，及它其他的一些作用，這使我們對

5、它有了基本的了解，因此選擇這個題目是可行的</p><p>　?。?）隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，寬帶運算放大器在科技應(yīng)用中起著越來越重要的作用。寬帶運算放大器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于加與D，A轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、積分器、精密比較器、波形發(fā)生器和視頻放大器等各種電器中，這些電路不僅要求提高運算放大器的頻帶寬度、轉(zhuǎn)換速率和電壓增值，同時還要降低其輸入失調(diào)電壓和電流以及溫度漂移。我選這個題目主要是將理論應(yīng)用到實際生活中。</p

6、><p><b>　　主要研究內(nèi)容：</b></p><p>　　1.1 課題研究背景 </p><p>　　1.2 寬帶放大器的發(fā)展?fàn)顩r </p><p>　　1.3本文的研究內(nèi)容及意義</p><p><b>　　寬帶放大器的概述 </b></p><p&

7、gt;　　2.1寬帶放大器的簡介</p><p>　　2.1.1什么是寬帶放大器</p><p>　　2.1.2寬帶放大器的分類</p><p>　　2.2寬帶放大器的工作原理</p><p>　　3 寬帶放大器的簡便設(shè)計</p><p>　　3.1寬帶放大器的理論設(shè)計原理</p><p>　

8、　3.2寬帶放大器的設(shè)計方法</p><p><b>　　寬帶放大器的實例</b></p><p>　　4.1寬帶放大器的設(shè)計實例</p><p>　　4.2寬大放大器的實驗測試結(jié)果 </p><p><b>　　研究方案（思路）：</b></p><p><b>

9、　　1、系統(tǒng)總體方案</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)總共分為五大部分：</p><p>　　第一部分：前級放大模塊。通過OPA820ID寬帶電壓運放，實現(xiàn)對輸入小信號放大10倍（20dB）的功能；</p><p>　　第二部分：中間級放大模塊。采用OPA820ID寬帶電壓運放，實現(xiàn)信號的5倍（14dB）放大的功能； </p>

10、<p>　　第三部分：功率放大模塊。采用驅(qū)動負(fù)載能力較大的THS3091D放大器實現(xiàn)，其壓擺率高，且能支持±5V~±15V的供電，THS3091D能夠驅(qū)動50Ω負(fù)載電阻。本級實現(xiàn)信號的約3倍（8dB）放大的功能；</p><p>　　第四部分：單片機(jī)顯示模塊。輸入為正弦波時，數(shù)字顯示放大器輸出電壓的峰峰值和有效值；</p><p>　　第五部分：電源變換模

11、塊。采用升壓型DC-DC變換器TPS61087設(shè)計的開關(guān)電源，為末級放大電路提供+18V直流電源。</p><p><b>　　2、系統(tǒng)總體框圖 </b></p><p>　　信號輸入 信號輸出</p><p>　　AC220V輸入 D

12、C+5V</p><p><b>　　二、理論分析與計算</b></p><p><b>　　1、增益分配：</b></p><p>　　本題目要求放大器電壓增益≧40dB(100倍)，最大不失真輸出電壓峰峰值≥10V，根據(jù)公式：電壓增益=20lg|Av|dB，以及通過實驗，為了消除自激，我們最終采用三級放大，算出|Av|

13、=|Av1* Av2* Av2|≧100，初級由0PA820D實現(xiàn)20dB的放大，中間級由0PA820D實現(xiàn)14dB的放大，末級放大由THS3091D實現(xiàn)約8dB的放大。因此，給第一級放大電路分配10倍增益，給第二級放大電路分配5倍增益，給末級放大電路分配約3倍增益。由此可以算出電阻比值，對于反相放大電路，公式為：Av=―Rf∕R1。</p><p>　　2、帶寬增益積（GBP）：</p><

14、p>　　帶寬增益積是衡量放大器性能的一個參數(shù)，這個參數(shù)表示的是增益和帶寬的乘積，即GBP= A*BW，題目要求在最大增益下，放大器下限截止頻率fL不高于20Hz，上限截止頻率fH不低于5MHz（擴(kuò)展上限頻率不低于10MHz），所以，帶寬BW=fH―fL。</p><p><b>　　3、放大器穩(wěn)定性：</b></p><p>　　放大器穩(wěn)定性是指在其帶寬范圍內(nèi)幅

15、頻曲線的穩(wěn)定性。</p><p>　　提高放大器的穩(wěn)定性，可以采用相位補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ黾悠淞泓c，抵消極點來實現(xiàn)。</p><p>　　在調(diào)試過程中，在電壓反饋型運放OPA820ID，我們引入電容進(jìn)行相位補(bǔ)償；對于高速、寬帶的電流反饋型運放THS3091D，我們特別注意了走線布局，如反饋環(huán)一定要走最短路線，因為長的線也會引起更大的附加相移；計算選擇了合適的反饋電阻阻值，使其不因阻值太大而產(chǎn)生更

16、大的分部電容，導(dǎo)致更大的附加相移，也不因阻值太大而降低放大器的帶寬。另外，合理排板、布線，有效地抑制了高頻自激，改善了放大器的穩(wěn)定性。</p><p>　　為了盡可能的降低放大器的輸出噪聲，我們降低了輸入阻抗（用兩個100Ω的電阻并聯(lián)成50Ω的電阻）。另外在設(shè)計各個模塊時，我們綜合運用了多種方法以降低噪聲，比如用三極管有源穩(wěn)壓、濾波以及電感，電容濾波等。</p><p><b>

17、　　三、電路與程序設(shè)計</b></p><p>　　1、前級放大電路的設(shè)計：</p><p>　　題目限定采用高速運算放大器OPA820ID作為第一級放大電路，它有如下特性：OPA820ID是一種單位增益穩(wěn)定低噪聲電壓反饋運算放大器，它擁有2.5nV/√Hz的低噪聲，+5V ~ +12V的單電源供電，當(dāng)增益為+2時，帶寬高達(dá)240MHz。實現(xiàn)10倍電壓增益放大。滿足題目要求，所

18、以適合采用。</p><p>　　本級電路中，采用由電子穩(wěn)壓濾波的+6.8V單電源直流供電。電路中，反饋電阻R11（1K）上并聯(lián)C34（5PF）電容，能有效消除高頻自激。具體電路如下圖所示：</p><p>　　2、中間級放大模塊的設(shè)計：</p><p>　　由于在設(shè)計調(diào)試時，為了增加有效帶寬，所以考慮再加一級放大，結(jié)合資料，最終加入能實現(xiàn)5倍放大的OPA820ID

19、作為中間級放大電路。</p><p>　　本級電路中，采用由電子穩(wěn)壓濾波的+10V單電源直流供電。電路中，反饋電阻R12（1K）上并聯(lián)C9（5PF）電容，能有效消除高頻自激，使放大器能夠穩(wěn)定地工作。具體電路如下圖所示：</p><p>　　2、末級功率放大電路的設(shè)計：</p><p>　　功率放大采用THS3091D來實現(xiàn)2倍電壓增益放大。THS3091D為單路高壓

20、低失真電流反饋運算放大器，具有7300V/μs高壓擺率，±5 V ~±15 V的寬供應(yīng)電源，當(dāng)增益設(shè)為2時，其帶寬為210MHz。</p><p>　　本級電路中，采用升壓型DC-DC變換器TPS61087設(shè)計的開關(guān)電源，為末級放大電路提供+18V直流電源。功放的具體電路圖如下所示：</p><p><b>　　3、電源設(shè)計：</b></p&

21、gt;<p>　　按整體設(shè)計要求，需要一個AC-DC的直流電源，提供+5V直流電源，另外還要用DC-DC變換器，采用TPS61087DRC設(shè)計一個升壓電源為末級放大電路供電。TPS61087是一個具有強(qiáng)制 PWM 模式的 18.5V、3.2A、650kHz/1.2MHz 升壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　在本設(shè)計中，我們通過匹配反饋電阻，使輸出電壓達(dá)到了+18V，這樣更有利于放大電路最

22、終的10V峰-峰值輸出電壓的實現(xiàn)。電路如下圖所示：</p><p>　　四、系統(tǒng)方案與測試結(jié)果</p><p><b>　　1、測試儀器清單</b></p><p><b>　　2、測試方法與數(shù)據(jù)</b></p><p>　　測試方法：準(zhǔn)備階段：將函數(shù)信號發(fā)生器的50歐函數(shù)信號輸出口接被測放大器的輸

23、入端，輸出幅度調(diào)為0.2V，頻率調(diào)為1kHz做標(biāo)準(zhǔn)，先用示波器接輸入，查看電壓峰峰值是否為 0.1V。因為函數(shù)信號發(fā)生器內(nèi)涵50歐電阻與輸入端100歐電阻和100歐電阻并聯(lián)產(chǎn)生的50歐電阻分壓，使輸入端電壓值為信號發(fā)生器上電壓值的一半。</p><p>　　測試階段：被測放大器的輸出端接示波器，先調(diào)整信號源頻率為1kHz，調(diào)整輸入信號電壓，使輸出電壓峰峰值為10V，作為頻率特性的參考點。然后調(diào)節(jié)頻率（20Hz~1

24、0MHz），觀察示波器上電壓峰峰值，并記錄在下表中。</p><p><b>　　測試表格：</b></p><p><b>　　3、測試結(jié)果分析</b></p><p>　　從測試數(shù)據(jù)可以看出：在測量頻率范圍內(nèi)，電壓峰峰值在-1.6dB~+1.6dB，在輸出50Ω負(fù)載電阻上，放大器最大不失真輸出電壓峰峰值≥10V。達(dá)到題

25、目基本要求和發(fā)揮部分要求。</p><p><b>　　五、總結(jié)</b></p><p>　　綜合上述各部分的測試結(jié)果：本設(shè)計圓滿完成了題目基本部分的要求，還較好地完成了題目發(fā)揮部分的要求。各種降低噪聲措施的綜合應(yīng)用保證放大器穩(wěn)定工作并且降低了噪聲。</p><p>　　通過這幾天的設(shè)計競賽，我們不但增強(qiáng)了實踐能力和協(xié)作精神，而且懂得了理論聯(lián)系

26、實際的必要性，使我們受益匪淺。本系統(tǒng)綜合應(yīng)用了電容、電感和電子穩(wěn)壓濾波等抗干擾措施以抑制放大器的噪聲。通過設(shè)計電路，安裝、調(diào)試電路，我們深刻地感受到：在設(shè)計和制作高頻電子產(chǎn)品時，除了電路設(shè)計正確，元器件選型合理外，合理的排板、布線，在某些時候顯得更為重要，能夠有效抑制高頻自激，改善了放大器的穩(wěn)定性，較好的實現(xiàn)了設(shè)計的要求。當(dāng)然，由于我們的知識與實踐有限，還存在一定的問題，有點遺憾，為此我們會在將來的設(shè)計中進(jìn)一步提高，最后非常感謝學(xué)校的培

27、養(yǎng)以及全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽委員會及TI公司給予我們的這次鍛煉機(jī)會！</p><p><b>　　六、附錄</b></p><p><b>　　1、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1.康華光主編 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版） 高等教育出版社</p><p>　　2.高吉祥主編 全國大學(xué)生電子

28、設(shè)計競賽培訓(xùn)系列教程模擬電子線路設(shè)計電子工業(yè)出版社</p><p>　　3.謝子美主編 電子線路設(shè)計-實驗-測試（第二版）華中科技大學(xué)出版社 </p><p>　　4.李朝青編著 單片機(jī)原理及接口技術(shù)（第三版）北京航天航空大學(xué)出版社2005</p><p>　　2、該系統(tǒng)電路原理圖</p><p><b>　　3、電源電路原理圖