一種新型寬帶放大器的設計

尚冬梅，劉黨軍，張雄堂

（1.西安科技大學，陜西 西安 710054；2.國網甘肅檢修公司，甘肅 蘭州 730030）

在當前微電子技術快速發展的背景下，寬帶運算放大器的作用越來越凸顯，其在科技應用中占據至關重要的地位[1]。本文利用低噪聲、高速、高頻寬帶集成運算放大器，設計并制作了一個寬帶放大器。該放大器由高精度、寬頻帶運放OPA820和功率放大器THS3091組成，放大器在20 Hz～10 MHz頻帶內增益起伏，獲得了平滑的頻率特性。

1 總體設計

1.1 系統總體設計

整個系統主要由前級放大器OPA820、末級功率放大器THS3091構成寬帶放大器。通過峰值檢測電路，將檢測信號發送給單片機，并由液晶顯示器顯示，如圖1所示。

1.2 系統方案比較

1.2.1 前級放大

方案一：前級放大的目標主要由晶體管和運算放大器實現。可選擇多級放大電路，以更好地滿足增益大于40 dB的要求。本方案中，因三極管等分立元件應用較多，導致電路相對繁雜，調整難度較大，特別是增益的定量調節，難度更大。

方案二：利用前級放大電路實現。該電路由兩級運放級聯構成，可對各種輸入信號實現前級放大。采用兩級級聯可以減小失真、震蕩、噪聲，加大帶寬。這里要求的是單電源供電，指定使用芯片（THS3091、OPA820、TPS61087DRC）、增益范圍（≥40 dB）以及信號頻率（20 Hz～10 MHz）的分析。本系統輸入的是微弱信號，若用單級運放，放大倍數太大易產生失真、震蕩、減小帶寬，從而加大噪聲。

綜上所述，為了得到較好的信號，選擇采用方案二。

1.2.2 功率放大

方案一：寬帶放大器使用集成電路芯片。主要是因為集成電路芯片具有電路簡單、性能穩定、應用便捷及文檔說明詳細等優點。然而，10 V有效值輸出和帶寬難以達到20 Hz～10 MHz。

方案二：后級放大器采用功率放大器自行搭建。前級主要采用運放放大信號電壓，后級先用分立元件搭成功率放大電路，在此基礎上再對信號進行功率放大。盡管應用分立元件來設計的過程和調試都比較復雜，但可獲得更合適的參數。另外，可根據實際需要更換電阻電容。

綜合分析兩種方法，本文選擇分離元件設計后級功率放大器。

1.2.3 峰值檢測

方案一：電壓采樣使用的是高速ADC，用戶只要將一周期數據輸入單片機，通過均方根值計算，就能得到電壓有效值。該方案調試難度較大，且高頻采樣及計算量大，但優點是能較好地抵抗干擾，檢測精度高且設計靈活。

方案二：精密整流信號并積分，就可得到正弦電壓的平均值；高頻采樣后，再通過簡單換算，便可得到有效值顯示。交流信號有效值測量簡單，但由于信號較小，極易產生誤差，因此不考慮此方案。

方案三：利用簡單的峰值采樣電路直接輸出峰峰值，再由ADC采樣。這樣可以實現對任意波形的峰峰值測量，減小信號波動產生的誤差。

綜上所述，由于要求的帶寬上限為10 MHz，信號在一定區間內有一定的失真、波動以及外界干擾，信號處于波動，有效值很難達到要求，故采用方案三。

2 理論分析與計算

2.1 電源模塊

采用大電容濾波、橋式全波整流、三端穩壓器件穩壓方式，利用穩壓芯片7805產生5 V直流電壓。由于本系統對電源紋波要求較高，為了滿足要求，在5 V輸出端再接一大電容濾波。末級采用DC-DC轉化器TPS61087DRC，將5 V電壓提高到18 V，提供給功率放大芯片THS3091，使其輸出最大峰峰值大于10 V。

2.2 前級放大電路

由于信號源輸出幅值因接負載隨頻率增大而衰減，在信號輸入端加入一個電壓跟隨器，更改信號源的輸出電阻，減弱信號源幅值衰減，以減小測量誤差。在二級放大電路中，再加一個電壓跟隨器。本系統輸入的是微弱信號，采用兩級運放放大，每級放大倍數都不大，較好地減小了輸出信號噪聲、輸出信號失真和震蕩，同時增大了帶寬。因此，該系統采用兩級運放級聯電路。

2.3 末級放大電路

用低失真電流反饋型運放THS3091構成同相放大電路，能將新信號進行放大，一般可達到3～5倍，輸出電流為250 mA（50 Ω負載），THS3091擺率為7 300 V/μs。為提高后級驅動力，采用三個THS3091并聯方式，并在每個運放后面串接2 Ω的均流電阻。供電方式為功放級與前級單獨供電，運放電源引腳就近接高頻去耦電容，避免產生自激問題。此外，采取良好的散熱措施，防止因功放工作發熱嚴重影響運放性能。在轉接板背面固定鋁片，可達到散熱目的。鋁片也用來構成地平面，吸收高頻噪聲。

2.4 峰值和有效值檢測

峰值與有效值成一一對應關系。因此，只要測出其中某一個數值，就可由公式計算出另一個數值。考慮到帶寬范圍較大，用有效值電路較難準確測出其數值。所以，采用峰值對電路測量進行檢測。

峰值檢波電路主要包括二極管電路和電壓跟隨器兩部分。輸入電壓正半周，如果通過，則電路中開關管D1導通，即可實現對電容C1充電至峰值[2]。為降低前一頻率測量對后一頻率測量的影響，設計用單片機控制三極管的基極，這樣將能產生大約10 μs的高電平，從而使電容放電，以防止對幅值測量精度產生影響。為降低D1的壓降對測量精度的影響，在輸入端提供一個直流偏置。依據被測信號的頻率合理選擇電容C1的取值，同時使用高頻二極管，能極大提升測量范圍的頻率上限。

3 性能測試

3.1 測試方法

（1）將各部分電路連接，放大部分通過調節負反饋端阻值調整運放放大倍數，最后輸出端接50 Ω的負載電阻進行整機測試，測試其頻率、輸入幅值、輸出幅值以及看其波形是否失真，并且記錄數據。

（2）測得輸出噪聲電壓方法。將放大器的輸入端接地，用示波器測量輸出電壓。

3.2 測試儀器

TDS1002數字示波器；TH1951 5 1/2數字萬用表；TAITAN數字萬用表；F40型數字合成信號發生器。

3.3 測試數據

所測試數據如表1、表2、表3所示。

表1 10 kHz以下的測試數據

表2 10 kHz到1 MHz的測試數據

表3 1 MHz以上的測試數據

3.4 測試結果與分析

3.4.1 測試結果

觀察測試信號及以上數據，可以得知以下幾種現象：

（1）輸入的幅值隨頻率增加而減小，尤其是在1 kHz以下和1 MHz以上變化時，幅值改變的速率比一般情況降低得快得多。

（2）在多級放大過程中，經常會有一些雜波，加一個電容或電感就會消失。同時，在每級放大輸入信號的幅值總要減小，通常需加一個電壓跟隨器。

3.4.2 誤差分析

人為讀數會導致一定誤差，加之磁場、溫度等周圍環境因素也會對其產生一定影響，容易導致測量數據達不到理論計算值。為解決此問題，本文利用多次測量求平均值的方法，將誤差控制在5%以下。另外，手工制作的整個電路系統，不可避免會存在阻抗匹配不嚴格的問題。因此，布線時可能會受線路間、外界磁場的干擾與影響，干擾抑制還有待進一步提升。

4 結 論

利用高精度、寬頻帶運放OPA820和功率放大器THS3091，設計并制作了一個寬帶放大器。測試結果表明，該放大器在20 Hz～10 MHz頻帶內增益起伏，獲得了平滑的頻率特性。

參考文獻：

[1] 程知群，軒雪飛，劉國華，等.基于GaN HEMT寬帶高效率功率放大器的設計[J].杭州電子科技大學學報（自然科學版），2017，37（6）：1-4.

[2] 馬延軍，朱代先，龐立華，等.射頻寬帶放大器設計在電子競賽指導中的應用[J].實驗技術與管理，2017，34（10）：94-97.