5V單電源供電的寬帶放大器的設計

　　1 方案論證與系統設計

　　1.1 方案論證

　　直接使用集成高電壓輸出運放OPA820，放大器通頻帶從20 Hz～10 MHz，并能驅動(dòng)50 Ω的負載，單純用音頻放大的方法來(lái)完成功率輸出。同時(shí)要做到在輸出負載上放大器最大不失真輸出電壓峰峰值≥10 V的難度較大，故采用DC-DC變換器TPS61087DRC為末級THS3091放大電路供電，最終設計這款高速寬帶放大器。本方案簡(jiǎn)單易行，由于采用單芯片，所以系統體積較小。

　　1.2 系統設計

　　利用模擬電子技術(shù)和單片機信號采集處理技術(shù)，最終完成增益控制及輸出顯示。系統框圖如圖1所示。

　　圖1 系統框圖

　　2 模擬電路設計

　　利用TI公司的模擬仿真軟件Tina，設計出5 V和15 V電源電路和三級放大電路，并利用峰值檢測電路的輸出經(jīng)單片機采樣處理后液晶顯示。Tina仿真軟件模擬出上述電路40 dB時(shí)的通頻帶范圍為10 Hz～10 MHz。圖2所示為三級放大電路的通頻帶圖。

　　圖2 三級放大電路的通頻帶圖

　　2.1 放大電路

　　采用OPA820作為一級、二級放大電路，THS3091作為末級放大電路。三級放大倍數分別為5倍、5倍和4倍。其中末級電路通過(guò)兩個(gè)可調電阻來(lái)控制放大倍數和保證輸出信號的不失真。圖3所示為基于OPA820和THS3091芯片設計的三級放大電路。

　　圖3 基于OPA820和THS3091芯片設計的三級放大電路

　　2.2 峰值檢測電路

　　由于通頻帶范圍中有低頻和高頻兩種不同輸入，所以采用兩種不同檢測電路。低頻峰值檢測電路可參考專(zhuān)業(yè)書(shū)上的具體電路，高頻峰值檢測電路在此利用TPS61087芯片仿真設計出的電路，如圖4所示。

　　圖4 高頻峰值檢測電路

3 MSP430單片機控制液晶輸出設計

　　3.1 MSP430單片機和液晶

　　MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)1996年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗的混合信號處理器。使用了MSP430F149型號的單片機，利用A/D采樣峰值檢測電路的信號，編程處理后最終完成在1602液晶上顯示輸出電壓峰峰值和有效值數據的功能。為了減少功耗，并降低數字系統對模擬信號的干擾，采樣完成后，將微控制器設低功耗模式。同時(shí)為了實(shí)時(shí)采樣后數據顯示不會(huì )閃爍，編程時(shí)利用定時(shí)器定時(shí)1 s后中斷，使液晶每隔1 s才顯示一次采樣數據。電路如圖5所示。

　　圖5 單片機和液晶電路圖

　　3.2 軟件流程

　　軟件流程，如圖6所示。

　　圖6 軟件流程圖

　　4 性能測試與分析

　　測試儀器有：泰克公司TS1002 160 M數字示波器和RIGOL DS1022 20M信號源。

　　測試方法主要分3步：(1)連接+5 V、+15 V電源，在輸入端接入信號發(fā)生器信號。(2)輸入通頻帶范圍為10 Hz～10 MHz，電壓峰峰值0～100 mV的信號，測試通頻帶內是否平坦。(3)改變輸入電壓的頻率和有效值，分別記錄輸出電壓的峰峰值和有效值。

　　相關(guān)測試數據如表1所示。

　　表1 40dB時(shí)輸入輸出測試

　　如表1所示，放大器在預置帶寬為10 Hz～10 MHz、最大增益為40 dB的時(shí)候，通頻帶內很平坦。此時(shí)最大不失真輸出電壓約為10.20 V。經(jīng)測試，該電路最大增益為42 dB。制作和調試出的實(shí)物圖如圖7所示。

　　圖7 實(shí)物圖

　　5 結束語(yǔ)

　　本設計實(shí)現了一個(gè)5 V單電源供電的寬帶放大器基本功能，完成了系統的硬件與軟件設計，解決了較難在輸出負載上不失真輸出電壓峰峰值≥10 V、輸出電壓的峰值檢測、A/D采樣顯示等問(wèn)題。