0 引言

　　放大電路在工業(yè)技術領域中， 特別是在一些測量儀器和自動化控制系統(tǒng)中應用非常廣泛。如在一些自動控制系統(tǒng)中， 首先要把被控制的非電量（ 如溫度、轉速、壓力、流量、照度等） 用傳感器轉換為電信號， 再與給定量比較， 得到一個微弱的偏差信號。因為這個微弱的偏差信號的幅度和功率均不足以推動顯示或者執(zhí)行機構， 所以需要把這個偏差信號放大到需要的程度，再去推動執(zhí)行機構或送到儀表中去顯示， 從而達到自動控制和測量的目的。同時在很多信號采集系統(tǒng)中， 信號變化的幅度都比較大， 那么放大以后的信號幅值有可能超過A/ D 轉換的量程， 所以必須根據信號的變化相應調整放大器的增益。在自動化程度要求較高的系統(tǒng)中， 希望能夠在程序中用軟件控制放大器的增益， 或者放大器本身能自動將增益調整到適當的范圍。本文采用T I 公司的高速運算放大器OPA820 作為第一級放大電路進行11 倍的放大， 采用T I 公司電流反饋性運放THS3091 作為末級放大電路進行11 倍的放大， 并作為功率放大器驅動50 Ω阻性負載， 在輸出負載上， 放大器最大不失真輸出電壓峰峰值可達10 V 以上。通過兩級放大放大器電壓增益≥40 dB。輸出的信號通過峰值檢測模塊， 通過A/ D 采集輸入MSP430 單片機， 在液晶屏上顯示出放大器的輸入電壓的峰峰值和有效值。

　　由于在實際應用中常采用5 V 單電源供電， 本文選用TPS61087 電源芯片提供+ 10 V 電壓， 選用MC34063 電源芯片提供- 10 V 電壓來為T HS3091 供電。選用MAX764 電源芯片提供- 5V 電壓， 和輸入的5 V 電壓來為OPA820 供電。

　　系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

　　為了盡可能降低放大器的輸出噪聲， 本文采取了相應的抗干擾處理： 不同級電路之間采用同軸電纜連接， 退耦電容盡量接近芯片電源引腳， 采用熱轉印法手工制PCB工藝， 盡量減少分布參數的影響。

　　1 單元電路設計

　　1. 1 電源模塊設計

　　由于在實際應用中常采用5 V 單電源供電， 本文選用TI 公司的T PS61087 電源芯片提供+ 10 V 電壓， 選用MC34063 電源芯片提供- 10 V 電壓來為T HS3091 供電。

　　選用MAX764 電源芯片提供- 5 V 電壓， 和輸入的5 V 電壓來為前級電壓放大模塊OPA820 供電。

　　T PS61087 是一款T I 公司的DC??DC 變換器?？梢詫?. 5~ 6 V 的輸入電壓變換為0. 5~ 18. 5 V 的電壓輸出，可以工作在650 kHz 和1. 2 MHz 兩個頻段上。輸出電流可高達900 mA。

　　MC34063 是一單片雙極型線性集成電路， 專用于DC-DC 變換器控制部分， 能在3. 0~ 40 V 的輸入電壓下工作，輸出開關電流可達1. 5 A, 也可構成反向電源變換器。

　　MAX764 是一款DC-DC 變換器?？梢詫?~ 15 V 的輸入電壓變換為- 5 V 的電壓輸出。輸出電流為250 mA。

　　電源模塊如圖2 所示。

圖2 電源模塊

　1. 2 前級放大電路設計

　　OPA820 是TI 公司的一款低噪聲電壓反饋高速放大器。

　　增益帶寬積為480 MHz, 低輸入電壓噪聲： 2. 6 nV/ √Hz,高直流精度： 25℃ 最多輸入失調電壓為± 700 nV, 25℃ 最多輸入失調電壓為± 400 nA。

　　采用高速運算放大器OPA 820 作為第一級放大電路（ 如圖3） 進行11 倍的同相放大， 本文選取反饋電阻RF 為510 Ω, 反相端輸入電阻RG 為51Ω , 為了抑制噪聲， 防止電源串入噪聲信號， 本文在電源線的進線處加0. 1p 和2. 2p的旁路電容進行濾波。輸出信號進入后級放大電路進行放大（ 如圖4） 。

圖3 第一級放大電路

圖4 第二級放大電路

　　1. 3 后級放大電路設計

　　T HS3091 是一款高電壓， 低失真， 電流反饋放大器。

　　轉換速率為7300 V/s , 增益帶寬積為420 MHz, 輸出電流高達±250 mA。低噪聲： 正向電流噪聲為14 pA/√Hz, 反向電流噪聲為17 pA / √Hz, 電壓噪聲為2 nV/ √H z。

　　后級放大電路包含固定增益放大和功率放大模塊。本文用單片THS3091 搭建同相增益放大和功率放大模塊。

　　設置增益為11 倍， 本文選取反饋電阻RF 為1 k, 反相端輸入電阻RG 為100Ω。為了防止電流反饋運算放大器THS3091 的自激， 本文在THS3091 的輸入端加上20Ω 的限流電阻。該模塊可同時對信號幅度和功率進行放大。驅動后級的50 Ω負載， 同時輸出信號傳入峰值檢測模塊中。

　　1. 4 峰值檢測電路設計

　　峰值檢測電路由兩級電路組成： 第一級是整流電路，第二級是增益調節(jié)電路和積分電路。第一級整流電路如圖5 所示。

圖5 整流電路

　　第二級增益調節(jié)電路和積分電路如圖6所示。

圖6 增益調節(jié)電路和積分電路

峰值檢測波形如圖7和圖8所示。

圖7 檢波前的信號波形

圖8 檢波后的信號波形

　　1. 5 微控制器選擇

　　選用TI 超低功耗的MSP430 單片機對系統(tǒng)進行控制。

　　單片機主要完成對AD 從峰值檢測電路采集的信號進行處理， 將輸出電壓的峰峰值和有效值顯示在128 ×64 液晶屏上。

　　1. 6 抑制噪聲設計的主要措施

　　1） 布線合理。放大器輸入回路的導線和輸出回路、交流電源的導線彼此要分開， 不要平行輔設或捆扎在一起， 以免相互感應。

　　2） 濾波。為防止電源串入噪聲信號， 電源線的進線處加濾波電路。

　　3） 選擇合理的接地點。在多級放大器電路中， 如果接地處安排不當， 也會造成嚴重的噪聲。本文采取PCB制板， 將合理的接地點進行覆銅共地處理。

　　4） 不同級電路之間采用同軸電纜連接。

　　1. 7 消除自激振蕩設計

　　1） 采取PCB 制版， 元器件布置緊湊、縮短連線的長度。

　　2） 合理布線， 輸入線和輸出線分開至少5 mm 以上，以免產生正反饋作用。

　　3） 在放大器各級電路之間加入電源去耦電路， 以消除級間電源波動的互相影響。

　　4） 放大器輸入端加入限流電阻， 降低能量， 消除自激。

　　2 測試方案與測試結果

　　2. 1 放大器的基本性能測試

　　測試方法： 通過函數信號發(fā)生器產生不同頻率和幅度的正弦波， 通過該寬帶放大器， 輸出顯示在示波器上。從而測出放大器的放大倍數， 帶載最大輸出電壓， 下限截止頻率， 上限截止頻率， 最小輸出電壓。經測試可得該寬帶放大器的增益為43 dB 左右， 帶載最大輸出電壓為17 V,最小輸出電壓為0. 4 V, 下限截止頻率為6 Hz, 上限截止頻率為20 MHz。

　　2. 2 放大器的幅頻特性測試

　　測試方法： 用函數信號發(fā)生器產生峰峰值為5 mV, 頻率分別為1~ 20 Hz （ 步進為1 Hz ） , 100 Hz, 1 kHz,10 kHz, 100 kHz, 1~ 20 MHz（ 步進為1 MH z） 正弦波送入示波器進行測量并描點制圖如圖9。測試條件： 50 Ω阻性負載。

圖9 放大器幅頻特性。

　　由幅頻特性圖可得： 該放大器的電壓增益為43 dB 左右， 帶寬下限截止頻率低于6 Hz, 上限截止頻率高于20 MHz, 帶內波動較低。

　　2. 3 放大器輸出噪聲測試

　　測試方法： 輸入端接50Ω 電阻到地， 輸出端接入示波器進行噪聲測量， 觀察輸出噪聲波形， 測量出放大器的輸出噪聲。通過觀察輸出噪聲波形， 從示波器讀出該放大器的輸出噪聲峰峰值為10 mV。

　　3 結束語

　　本系統(tǒng)采用T I 公司的高速運算放大器OPA820 和T HS3091 以及MSP430 單片機、DC??DC 變換器TPS61087等完成了5 V 單電源供電的具有液晶顯示寬帶放大器該放大器的電壓增益達到43 dB, 帶寬在6 H z~ 20 MHz, 放大器輸出電壓（ 峰峰值） 達到0. 4~ 17 V, 小信號及寬帶信號均無明顯失真。該放大器性能優(yōu)越。實踐證明在自動化要求較高的系統(tǒng)中具有很好的實用性。