基于MSP430的直流寬帶放大器設(shè)計(jì)

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(jí)為輸入緩沖級(jí)，為了擴(kuò)展系統(tǒng)的通頻帶，輸入緩沖級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(hào)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(jí)之間必須采用直流耦合方式，然而對(duì)于高增益的放大電路，前級(jí)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(duì)于寬帶直流放大器，必須對(duì)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(jí)共同決定，而且前級(jí)電路的偏置對(duì)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(jí)放大電路，其次，系統(tǒng)采用了分級(jí)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(lái)減少干擾，避免自激，提高放大器的穩(wěn)定性：按照信號(hào)走向布線，各級(jí)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(duì)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(zhǎng)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(guó)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(kāi)發(fā)手段，已成為眾多單片機(jī)系列中一顆耀眼的新星。對(duì)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(kāi)發(fā)工具變得簡(jiǎn)便，而且價(jià)格也相對(duì)低廉，并且還可以實(shí)現(xiàn)在線編程。程序采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。VCA810的VG控制以及輸出電壓幅值檢測(cè)、顯示的流程圖如圖7、圖8所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試
3．1 放大器幅頻特性及增益起伏測(cè)試
測(cè)試方案：輸入信號(hào)設(shè)為100 mV，調(diào)節(jié)控制電壓VG，測(cè)試不同增益下，放大器的幅頻特性。幅頻特性測(cè)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(méi)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(cè)試
增益調(diào)節(jié)到40 dB，將輸入端短路，測(cè)量出輸出端噪聲電壓的有效值為200 mV。

4 結(jié)語(yǔ)
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(cè)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(wèn)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。