基于MSP430的直流寬帶放大器設(shè)計(jì)

摘要：以壓控增益寬帶放大器VCA810為主，配合低噪聲高速運(yùn)放OPA820ID和高輸出電壓低失真運(yùn)放THS3091D，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)基于超低功耗單片機(jī)MSP430F155的5 V單電源供電的寬帶低噪聲放大器。由單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)VCA810增益控制及輸出波形幅值顯示。電壓增益為-20～+60 dB可調(diào)，在最大增益下，通頻帶為10 Hz～10 MHz，負(fù)載50 Ω情況下可輸出峰峰值29 V的電壓。為解決寬帶放大器的自激問題及減小輸出噪聲，采用了多種形式的抗干擾措施，抑制噪聲，改善放大器的穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：寬帶放大器；VCA810；MSP430；單電源；峰值檢測

    隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，人們迫切地要求能夠遠(yuǎn)距離隨時(shí)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)和其他電子系統(tǒng)必不可少的一部分，低噪聲放大電路模塊很大程度上決定了系統(tǒng)的整體指標(biāo)。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。

1 總體設(shè)計(jì)方案
1．1 寬帶放大器設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)
    寬帶放大電路的設(shè)計(jì)中主要考慮增益、通頻帶、動(dòng)態(tài)范圍，穩(wěn)定性等。這里設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)如下：
    (1)用5 V單電源供電，輸出為50 Ω阻性負(fù)載；
    (2)放大器電壓增益大于等于40 dB(100倍)，并盡量減小帶內(nèi)波動(dòng)；
    (3)在最大增益下，放大器下限截止頻率不高于20 Hz，上限截止頻率不低于10 MHz；
    (4)在輸出負(fù)載上，放大器最大不失真輸出電壓峰峰值大于等于10 V。放大器輸入為正弦波時(shí)，可測量并數(shù)字顯示放大器輸出電壓的峰峰值和有效值。
1．2 總體方案描述
    系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由4個(gè)部分構(gòu)成：前置放大電路、可控增益放大電路、后級功率放大電路和單片機(jī)顯示控制模塊。第一級用OPA820ID構(gòu)成的放大電路增益為6 dB，實(shí)現(xiàn)了輸入阻抗匹配；可控增益放大電路由VCA810組成，實(shí)現(xiàn)了-40～+40 dB的動(dòng)態(tài)增益變化；后級放大電路增益為14 dB；單片機(jī)顯示控制模塊完成對VCA810的控制以及輸出電壓檢測功能并用液晶顯示輸出電壓的峰峰值和有效值。

1．3 電路設(shè)計(jì)
    前級放大電路由OPA820ID組成，OPA820是單位增益穩(wěn)定低噪聲電壓反饋運(yùn)算放大器，具有特點(diǎn)是：高帶寬(240 MHz，G=+2)；高輸出電流(±110 mA)；低輸入噪聲；完美的電流準(zhǔn)確性，25℃輸入偏置電壓=±750μV，輸入偏置電流為±400 nA信號從同相端輸入，增益為(1+R17／R18)=2倍，為6 dB。電路如圖2所示。
    選用TI公司生產(chǎn)的集成壓控增益放大器VCA810作為主增益控制，壓控增益放大器的增益與控制電壓成線性關(guān)系，控制電壓由單片機(jī)控制DAC產(chǎn)生。VCA810具有-40～+40 dB的增益控制范圍，精度達(dá)到1 dB，帶寬25 MHz。如圖3所示。

    末級放大電路由THS3091 D構(gòu)成，THS3091D是高輸出電壓低失真的電流反饋運(yùn)算放大器。具有特點(diǎn)是：高帶寬(210 MHz，G=2，RL=100 Ω)；高輸出驅(qū)動(dòng)電流(250 mA)；低失真、低噪聲；高供電電源范圍(5～15 V)；信號從同相端輸入，增益為1+1 000／250=5倍。輸出采用兩個(gè)THS3091并聯(lián)的方式，增加驅(qū)動(dòng)能力。如圖4所示。

    峰值電壓檢測電路采用高頻三極管組成射級跟隨檢波電路，三極管包絡(luò)檢波器具有一定的放大作用，Kd>1，同時(shí)還使輸入電阻Rid增大為二級管檢波器的(1+β)倍。檢測得到的峰值通過A／D轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)顯示輸出電壓的幅值。檢波電路如圖5所示。
    采用DC／DC定電壓隔離非穩(wěn)壓模塊A0512S-2W，將5 V單電源變換成±12 V，再利用穩(wěn)壓模塊變換成±5 V電源，給前兩級放大器供電。電路如圖6所示。類似地，用定電壓隔離模塊A0515S-2W，將5 V變換至±15 V電源為末級放大器供電。如圖6所示。

1．4 理論分析與計(jì)算
    (1)增益分配。為實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，系統(tǒng)第一級為輸入緩沖級，為了擴(kuò)展系統(tǒng)的通頻帶，輸入緩沖級增益為6 dB。VCA810的增益調(diào)節(jié)范圍為-40～+40 dB，最高的線性增益誤差只有0．3 dB／V，末級放大電路設(shè)計(jì)了增益為14 dB，這樣整個(gè)放大電路的增益為-20～+60 dB可調(diào)。  VCA810最大輸出電壓峰峰值為3．6 V，后級放大器增益為5倍，可以使最大不失真輸出電壓峰峰值大于等于10V。
    (2)通頻帶分析。前級放大芯片選用OPA820ID，其增益為2的時(shí)候，帶寬為240 MHz，帶寬增益積為480 MHz。VCA810的帶寬為固定的25 MHz而末級的THS3091D的帶寬增益積為420 MHz，當(dāng)增益為2時(shí)，帶寬為210 MHz。由以上分析可知，整個(gè)系統(tǒng)上限截止頻率不低于10 MHz。另外，三級電路采用的是直流耦合方式，下限截止頻率不高于20 Hz。該系統(tǒng)選用的高速、寬帶運(yùn)放，使信號在通頻帶內(nèi)的增益更加平坦。
    (3)線性相位。為了使系統(tǒng)在整個(gè)通頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)線性相位，在設(shè)計(jì)中嚴(yán)格按照阻抗匹配原則，使其負(fù)載呈純阻性，構(gòu)建閉環(huán)路。各個(gè)集成電路均加有退耦電容，減小寄生電感電容的影響。
    (4)抑制直流零點(diǎn)漂移。零點(diǎn)漂移現(xiàn)象是輸入電壓為零但輸出電壓不為零的現(xiàn)象。由于系統(tǒng)為寬帶直流放大器，所以各級之間必須采用直流耦合方式，然而對于高增益的放大電路，前級的微小輸入失調(diào)電壓經(jīng)放大后也將產(chǎn)生較大的偏置。對于寬帶直流放大器，必須對直流零點(diǎn)漂移有很好的抑制性能。系統(tǒng)的直流零漂由三級共同決定，而且前級電路的偏置對系統(tǒng)影響較大。首先，系統(tǒng)采用了單位增益穩(wěn)定、低噪聲的寬帶運(yùn)放OPA820ID構(gòu)成前級放大電路，其次，系統(tǒng)采用了分級消除直流偏置的辦法，將VCA810接成了偏置電壓可調(diào)的電路形式。
    (5)放大器的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)采用了下述方法來減少干擾，避免自激，提高放大器的穩(wěn)定性：按照信號走向布線，各級之間的連線使用同軸電纜；退耦電容盡量接近芯片電源引腳；對于電流型反饋運(yùn)放THS3091D，特別注意了走線布局，如反饋線一定要走最短路線，因?yàn)殚L的線會(huì)引起大的附加相移；計(jì)算選擇合適的反饋電阻阻值，使其不因阻值太大而產(chǎn)生大的分布電容，導(dǎo)致大的附加相移，也不因阻值太大而降低放大器的帶寬。

2 軟件設(shè)計(jì)
    MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器(TI)1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合處理器(Mixed Signal Processor)。由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，已成為眾多單片機(jī)系列中一顆耀眼的新星。對于MSP430系列而言，由于引進(jìn)了FLASH型程序存儲(chǔ)器和JTAG技術(shù)，不僅使開發(fā)工具變得簡便，而且價(jià)格也相對低廉，并且還可以實(shí)現(xiàn)在線編程。程序采用C語言開發(fā)。VCA810的VG控制以及輸出電壓幅值檢測、顯示的流程圖如圖7、圖8所示。

3 系統(tǒng)測試
3．1 放大器幅頻特性及增益起伏測試
    測試方案：輸入信號設(shè)為100 mV，調(diào)節(jié)控制電壓VG，測試不同增益下，放大器的幅頻特性。幅頻特性測試結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，放大器的帶寬增益積基本等于3．36 GHz，增益可以達(dá)到40 dB以上，輸出電壓峰峰值可以達(dá)到29 V，在10 MHz內(nèi)，增益起伏幾乎為零，波形非常平滑，沒有自激現(xiàn)象。40dB增益時(shí)，放大器下限截止頻率低于20Hz，上限截止頻率高于20MHz，結(jié)果如表1所示。

3．2 輸出端噪聲測試
    增益調(diào)節(jié)到40 dB，將輸入端短路，測量出輸出端噪聲電壓的有效值為200 mV。

4 結(jié)語
    本文給出了一個(gè)5 V單電源供電的寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)。測試結(jié)果表明，增益、帶寬、帶負(fù)載能力以及輸出電壓峰峰值等指標(biāo)都能滿足設(shè)計(jì)要求。為解決寬帶放大器的自激問題及減小輸出噪聲，采用了多種形式的抗干擾措施，抑制噪聲，改善放大器的穩(wěn)定性。