基于單片機(jī)MSP430F449的寬帶直流放大器設(shè)計(jì)

王鵬云

（寶雞文理學(xué)院 電氣系，陜西 寶雞 721016）

寬帶直流放大器是將輸出的微弱信號(hào)或通信接收端接收到的空中微弱信號(hào)進(jìn)行提取、放大。只有將信號(hào)放大到一定程度才能滿足后級(jí)設(shè)備的要求，使得分析結(jié)果正確。同時(shí)很多電工設(shè)備還要求具有一定輸出功率，才能驅(qū)動(dòng)后級(jí)設(shè)備或使通信的發(fā)射端將信號(hào)有效傳輸?shù)浇邮斩恕Ｈ欢鎸Χ喾N多樣的放大要求，現(xiàn)在的放大電路多采用集成電路形式，難以在頻帶、增益動(dòng)態(tài)范圍、功率等參數(shù)上滿足實(shí)際要求，因此本文提出基于單片機(jī)MSP430F449的寬帶直流放大器，將滿足0～10 M帶寬范圍內(nèi)的小信號(hào)，實(shí)現(xiàn)0～100 dB增益的可調(diào)范圍[1－2]。

1 系統(tǒng)簡介

單片機(jī)MSP430F449為控制芯片，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)主要由6個(gè)模塊組成：直流穩(wěn)壓源、前級(jí)放大電路、可控增益放大電路、濾波器、功率放大以及控制和顯示模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 寬帶直流放大器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 A broadband DC amplifier structural figure of system

輸入信號(hào)先經(jīng)過阻抗匹配后進(jìn)入40倍固定增益放大器OPA847，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)端對前級(jí)放大器引入的直流和直流零點(diǎn)漂移進(jìn)行補(bǔ)償后，進(jìn)入可控增益放大模塊。該模塊由AD603配合以固定增益檔組成，實(shí)現(xiàn)－14～86 dB的手動(dòng)或程控增益調(diào)節(jié)。其中MSP430F449單片機(jī)來控制雙路數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5638實(shí)現(xiàn)AD603的程控增益調(diào)節(jié)和整體后級(jí)放大模塊引入的直流的軟件補(bǔ)償。隨后信號(hào)進(jìn)入濾波器模塊和功率放大電路，由單片機(jī)控制濾波器帶寬限制模塊，該部分由切換繼電器實(shí)現(xiàn)。最后一級(jí)功率放大器放大固定的增益14 dB，最終實(shí)現(xiàn)0～100 dB增益可調(diào)范圍。

2 放大器理論分析

2.1 放大器帶寬增益積

電壓反饋型（VFB）運(yùn)算放大器的增益和帶寬存在一定的關(guān)系：從對應(yīng)的波特圖上可以看出，從直流到反饋環(huán)路的主極點(diǎn)所決定的截止頻率Fc之間，增益保持不變，若超出截止頻率范圍，則頻率升高一倍，增益減半。設(shè)運(yùn)算放大器3 dB帶寬為Fc，增益越高帶寬越窄，則有帶寬增益積BW·Au=常數(shù)，Au為放大器放大倍數(shù)。所以電路設(shè)計(jì)時(shí)，放大器帶寬和增益要折衷選擇。

假設(shè)放大電路的高頻響應(yīng)用以下單極點(diǎn)函數(shù)[3]表示。

其中Am為放大器的中頻增益，ω為角頻率，上限角頻率的倒數(shù)。引入負(fù)反饋并假設(shè)反饋網(wǎng)絡(luò)中反饋系數(shù)是與頻率無關(guān)的實(shí)數(shù)B時(shí)，有

將（1）式代入（2）式得

從（3）式可知，反饋中頻增益為 Amf=Am/（1+AmB），上限角頻率ωHf為

由此說明，引入負(fù)反饋后，放大電路的上限頻率擴(kuò)展了并與反饋深度F有關(guān)。

由于本系統(tǒng)直流寬帶放大器，其下限角頻率為零赫茲，所以無饋時(shí)放大器的通頻帶BW=fH，引入負(fù)反饋后，放大器的通頻帶變?yōu)?/p>

（5）式表明，引入負(fù)反饋后放大器通頻帶擴(kuò)展到無反饋時(shí)的（1+AmB）倍。而且有

而對于電流反饋型）CFB）運(yùn)算放大器而言，在電流反饋運(yùn)放中，開環(huán)響應(yīng)是輸出電壓對輸入電流的響應(yīng)。因此，與電壓反饋運(yùn)放不同，電流反饋運(yùn)放輸入和輸出之間的關(guān)系不是用增益表示，而是用跨阻表示。電流反饋運(yùn)放的跨阻在一般在500kΩ～1MΩ之間。 因此電流反饋運(yùn)放沒有恒定的增益帶寬積。即當(dāng)增益隨著頻率增加而降低時(shí)，降低的規(guī)律就不是增益衰減一半，帶寬擴(kuò)展一倍了。電流反饋運(yùn)放可以在較寬的增益范圍內(nèi)保持高帶寬，但這是以犧牲限制反饋?zhàn)杩篂榇鷥r(jià)的。

本系統(tǒng)中使用的 OPA847，THS3001，THS3095帶寬增益積分別為 3.9 GHz，420 MHz，20 MHz。 當(dāng)然，改善系統(tǒng)幅頻特性不僅僅考慮帶寬增益積，還要考慮其他因數(shù)如運(yùn)放的擺率、驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力和小信號(hào)放大后的輸出信號(hào)質(zhì)量等。

2.2 放大器穩(wěn)定性分析

1）產(chǎn)生自激振蕩的條件及原因：設(shè)多級(jí)點(diǎn)反饋放大器的閉環(huán)增益函數(shù)[4.5]

令s=jω，則穩(wěn)態(tài)頻率響應(yīng)

上式中，若在某一頻率 ωosc上，滿足環(huán)路增益 T（jωosc）=-1，則

式中

由（8）式可知，當(dāng) T（jωosc）=-1 時(shí)，環(huán)路增益函數(shù) Af（jωosc）→∞。這說明輸入信號(hào)為零時(shí)，仍有某一頻率的信號(hào)輸出，因此反饋放大器出現(xiàn)自激。其中（10）式稱為自激的幅度平衡條件，而式（11）稱為自激的相位平衡條件。幅度平衡條件與反饋的深度有關(guān)，而相位平衡條件取決于反饋系統(tǒng)的附加相移。由此可見，反饋系統(tǒng)必須同時(shí)滿足幅度和相位的平衡條件才能出現(xiàn)自激。

2）穩(wěn)定性分析：上式結(jié)論得到，如果放大電路不滿足自激的幅度條件或相位條件，就不會(huì)自激或成為正反饋電路，即電路是一穩(wěn)定的放大電路。但實(shí)際應(yīng)用中，要保證放大器穩(wěn)定工作，僅僅滿足上述不自激條件是不充分的，若放大器處于接近自激條件狀況下，一旦外界因素發(fā)生變化導(dǎo)致T（jω）變化，就有可能滿足自激條件使電路不穩(wěn)定，因此要保證放大器遠(yuǎn)離自激狀態(tài)。這種遠(yuǎn)離程度用穩(wěn)定裕度來表示，它有兩種表示方法，即相位裕量γV或者增益裕量γg（兩種判斷穩(wěn)定性的準(zhǔn)則是等價(jià)的），分別定義為

其中ωg為增益交界角頻率，ωV為相角交界頻率，顯然γV和γg為正值，且值越大放大器越穩(wěn)定。

3 級(jí)聯(lián)放大器硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

放大器級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)總體分為3個(gè)部分，其中第一級(jí)和第三級(jí)為固定增益放大。第一級(jí)放大器如圖2所示。圖中低電壓噪聲芯片OPA847實(shí)現(xiàn)40倍的固定倍數(shù)放大[6]。增益帶寬積高達(dá)3.9 GHz，在大于 1 MHz的模擬輸入電壓噪聲為 0.85 nV/Hz并且有 950 V/μs的擺率。放大器輸入端使用滑動(dòng)變阻器R6實(shí)現(xiàn)手動(dòng)失調(diào)電壓等的補(bǔ)償。

圖2 第一級(jí)放大器Fig.2 The first level amplifier

該放大器使用3個(gè)繼電器和4片高性能運(yùn)放實(shí)現(xiàn)100 dB的增益調(diào)節(jié)[7]。如圖3所示，繼電器 1實(shí)現(xiàn)－6 dB和－26 dB固定增益切換，繼電器2實(shí)現(xiàn)0 dB和－40 dB固定增益切換，繼電器3實(shí)現(xiàn)0 dB和－20 dB固定增益切。AD603實(shí)現(xiàn)0～20 dB的增益調(diào)節(jié)，THS3001實(shí)現(xiàn) 20 dB固定增益放大。

圖3 第二級(jí)放大器Fig.3 The second level amplifier

第三級(jí)功率放大電路如圖4所示，信號(hào)經(jīng)過濾波器以后進(jìn)入功率放大模塊。功率放大采用三級(jí)THS3091并聯(lián)以增強(qiáng)運(yùn)放的驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力。

圖4 第三級(jí)放大器Fig.4 The third level amplifier

4 軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序控制部分由單片機(jī) MSP430F449完成，主要用來控制繼電器的切換實(shí)現(xiàn)不同增益的切換和濾波器的選擇，控制TLV5638的兩路擬輸出電平，一路產(chǎn)生AD603的控制電壓一路后即放大的失調(diào)直流進(jìn)行補(bǔ)償。軟件流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 The soft flow process chart

5 放大器測試結(jié)果

1）放大器直流增益測試。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 放大器直流增益測試表Tab.1 Amplifier DC gain test table

2）放大器交流增益測試。測試數(shù)據(jù)如表2所示輸入信號(hào)頻率為500 kHz，輸入信號(hào)以信號(hào)有效值為單位。輸出信號(hào)以示波器的輸出電壓峰峰值為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出交流增益和相對誤差。 表2中輸入電壓為有效值，實(shí)測電壓是信號(hào)的峰峰值。

表2 放大器交流增益測試表Tab.2 Amplifier AC gain test table

從表1和表2中，可以看出，系統(tǒng)中存在一定的增益誤差，這主要來源于AD603提供控制增益的D/A的量化誤差以及AD603控制電壓與增益存在一定程度的非線性度。濾波器在通帶內(nèi)存在的波紋也會(huì)導(dǎo)致增益誤差。

6 結(jié) 論

基于單片機(jī)MSP430F449的寬帶直流放大器[8]，共由6個(gè)主要模塊構(gòu)成，放大器采用三級(jí)級(jí)聯(lián)的形式，能滿足0～10 M帶寬范圍內(nèi)的小信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)0～100 dB增益的可調(diào)范圍。通過測試證明了系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。

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