基于VCA810的直流宽带放大器设计.docx

基于 VCA810 的直流宽带放大器设计电子科学学院 电子科学与技术 13-1 徐飞 130901240130[摘要]：随着社会生产力的发展，人们迫切地要求能够远距离随时随地迅速而准确地传送多媒体信息于是，无线通信技术得到了迅猛的发展，技术也越来越成熟而宽带放大器是上述通信系统和其他电子系统必不可少的一部分，低噪声放大电路模块很大程度上决定了系统的整体指标由此可知，宽带放大器在通信系统中起到非常重要的作用，于是人们对它的要求也越来越高[关键字]： 宽带放大器；VCA810；单电源；峰值检测1 总体设计方案1．1 主要指标宽带放大器设计技术指标宽带放大电路的设计中主要考虑增益、通频带、动态范围，稳定性等这里设计的主要指标如下：(1)用 5 V 单电源供电，输出为 50 Ω 阻性负载；(2)放大器电压增益大于等于 40 dB(100 倍)，并尽量减小带内波动；(3)在最大增益下，放大器下限截止频率不高于 20 Hz，上限截止频率不低于 10 MHz； (4)在输出负载上，放大器最大不失真输出电压峰峰值大于等于 10 V放大器输入为正弦波时，可测量并数字显示放大器输出电压的峰峰值和有效值。

1．2 总体方案描述系统组成框图如图 1 所示系统主要由 4 个部分构成：前置放大电路、可控增益放大电路、后级功率放大电路和单片机显示控制模块第一级用 OPA820ID 构成的放大电路增益为 6 dB，实现了输入阻抗匹配；可控增益放大电路由 VCA810 组成，实现了-40～+40 dB 的动态增益变化；后级放大电路增益为 14 dB；单片机显示控制模块完成对 VCA810 的控制以及输出电压检测功能并用液晶显示输出电压的峰峰值和有效值图 1 系统总体框图1．3 电路设计1.3.1 前级放大级前级放大电路由 OPA820ID 组成，OPA820 是单位增益稳定低噪声电压反馈运算放大器，具有特点是：高带宽(240 MHz，G=+2)；高输出电流(±110 mA)；低输入噪声 ；完美的电流准确性，25℃输入偏置电压=±750μV，输入偏置电流为±400 nA 信号从同相端输入，增益为(1+R17／R18)=2 倍，为 6 dB电路如图 2 所示图 2 前级放大电路1.3.2 程控放大级程控放大器选用 TI 公司生产的集成压控增益放大器 VCA810 作为主增益控制，压控增益放大器的增益与控制电压成线性关系，VCA810 具有-40～+40 dB的增益控制范围，精度达到 1 dB，带宽 25 MHz。

控制电压由单片机控制 DAC产生，VCA810 的控制电压为 0~-2V，而单片机的 DA 输出为正电压，因此还需将 DA 输出电压经过反相之后才可以加到 VCA810 的控制电压输入口而如图 3所示 图 3 VCA810 增益控制电路1.3.3 末级放大级末级放大电路由 THS3091 D 构成，THS3091D 是高输出电压低失真的电流反馈运算放大器具有特点是：高带宽(210 MHz，G=2，RL=100 Ω)；高输出驱动电流(250 mA)；低失真、低噪声；高供电电源范围(5～15 V)；信号从同相端输入，增益为 1+1 000／250=5 倍输出采用两个 THS3091 并联的方式，增加驱动能力如图 4 所示图 4 末级放大电路1.3.4 峰值检波峰值电压检测电路采用高频三极管组成射级跟随检波电路，三极管包络检波器具有一定的放大作用，Kd>1，同时还使输入电阻 Rid 增大为二级管检波器的(1+β)倍检测得到的峰值通过 A／D 转换，再由单片机显示输出电压的幅值检波电路如图 5 所示图 5 检波电路图1.3.5 稳压电路采用 DC／DC 定电压隔离非稳压模块 A0512S-2W，将 5 V 单电源变换成±12 V，再利用稳压模块变换成±5 V 电源，给前两级放大器供电。

电路如图6 所示类似地，用定电压隔离模块 A0515S-2W，将 5 V 变换至±15 V 电源为末级放大器供电如图 6 所示图 6 稳压电路图1．4 理论分析与计算(1)增益分配为实现阻抗匹配，系统第一级为输入缓冲级，为了扩展系统的通频带，输入缓冲级增益为 6 dBVCA810 的增益调节范围为-40～+40 dB，最高的线性增益误差只有 0．3 dB／V，末级放大电路设计了增益为 14 dB，这样整个放大电路的增益为-20～+60 dB 可调 VCA810 最大输出电压峰峰值为3．6 V，后级放大器增益为 5 倍，可以使最大不失真输出电压峰峰值大于等于10V2)通频带分析前级放大芯片选用 OPA820ID，其增益为 2 的时候，带宽为 240 MHz，带宽增益积为 480 MHzVCA810 的带宽为固定的 25 MHz 而末级的THS3091D 的带宽增益积为 420 MHz，当增益为 2 时，带宽为 210 MHz由以上分析可知，整个系统上限截止频率不低于 10 MHz另外，三级电路采用的是直流耦合方式，下限截止频率不高于 20 Hz该系统选用的高速、宽带运放，使信号在通频带内的增益更加平坦。

3)线性相位为了使系统在整个通频带内实现线性相位，在设计中严格按照阻抗匹配原则，使其负载呈纯阻性，构建闭环路各个集成电路均加有退耦电容，减小寄生电感电容的影响4)抑制直流零点漂移零点漂移现象是输入电压为零但输出电压不为零的现象由于系统为宽带直流放大器，所以各级之间必须采用直流耦合方式，然而对于高增益的放大电路，前级的微小输入失调电压经放大后也将产生较大的偏置对于宽带直流放大器，必须对直流零点漂移有很好的抑制性能系统的直流零漂由三级共同决定，而且前级电路的偏置对系统影响较大首先，系统采用了单位增益稳定、低噪声的宽带运放 OPA820ID 构成前级放大电路，其次，系统采用了分级消除直流偏置的办法，将 VCA810 接成了偏置电压可调的电路形式5)放大器的稳定性该系统采用了下述方法来减少干扰，避免自激，提高放大器的稳定性：按照信号走向布线，各级之间的连线使用同轴电缆；退耦电容尽量接近芯片电源引脚；对于电流型反馈运放 THS3091D，特别注意了走线布局，如反馈线一定要走最短路线，因为长的线会引起大的附加相移；计算选择合适的反馈电阻阻值，使其不因阻值太大而产生大的分布电容，导致大的附加相移，也不因阻值太大而降低放大器的带宽。

2 系统测试2．1 放大器幅频特性及增益起伏测试测试方案：输入信号设为 100 mV，调节控制电压 VG，测试不同增益下，放大器的幅频特性幅频特性测试结果如表 1 所示实验结果表明，放大器的带宽增益积基本等于 3．36 GHz，增益可以达到 40 dB 以上，输出电压峰峰值可以达到 29 V，在 10 MHz 内，增益起伏几乎为零，波形非常平滑，没有自激现象40dB 增益时，放大器下限截止频率低于 20Hz，上限截止频率高于 20MHz，结果如表 1 所示2．2 输出端噪声测试增益调节到 40 dB，将输入端短路，测量出输出端噪声电压的有效值为 200 mV结语本文给出了一个 5 V 单电源供电的宽带低噪声放大器的设计测试结果表明，增益、带宽、带负载能力以及输出电压峰峰值等指标都能满足设计要求为解决宽带放大器的自激问题及减小输出噪声，采用了多种形式的抗干扰措施，抑制噪声，改善放大器的稳定性参考文献[1]清华大学电子学教研组.编杨素行主编.模拟电子技术基础简明教程.5版.北京:高等教育 出版社,2006. [2] 何桥主编.单片机原理及应用.北京:中国铁道出版社,2007.。