基于MSP430的直流寬帶放大器設計

1．4 理論分析與計算
(1)增益分配。為實現阻抗匹配，系統(tǒng)第一級為輸入緩沖級，為了擴展系統(tǒng)的通頻帶，輸入緩沖級增益為6 dB。VCA810的增益調節(jié)范圍為-40～+40 dB，最高的線性增益誤差只有0．3 dB／V，末級放大電路設計了增益為14 dB，這樣整個放大電路的增益為-20～+60 dB可調。 VCA810最大輸出電壓峰峰值為3．6 V，后級放大器增益為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。前級放大芯片選用OPA820ID，其增益為2的時候，帶寬為240 MHz，帶寬增益積為480 MHz。VCA810的帶寬為固定的25 MHz而末級的THS3091D的帶寬增益積為420 MHz，當增益為2時，帶寬為210 MHz。由以上分析可知，整個系統(tǒng)上限截止頻率不低于10 MHz。另外，三級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、寬帶運放，使信號在通頻帶內的增益更加平坦。
(3)線性相位。為了使系統(tǒng)在整個通頻帶內實現線性相位，在設計中嚴格按照阻抗匹配原則，使其負載呈純阻性，構建閉環(huán)路。各個集成電路均加有退耦電容，減小寄生電感電容的影響。
(4)抑制直流零點漂移。零點漂移現象是輸入電壓為零但輸出電壓不為零的現象。由于系統(tǒng)為寬帶直流放大器，所以各級之間必須采用直流耦合方式，然而對于高增益的放大電路，前級的微小輸入失調電壓經放大后也將產生較大的偏置。對于寬帶直流放大器，必須對直流零點漂移有很好的抑制性能。系統(tǒng)的直流零漂由三級共同決定，而且前級電路的偏置對系統(tǒng)影響較大。首先，系統(tǒng)采用了單位增益穩(wěn)定、低噪聲的寬帶運放OPA820ID構成前級放大電路，其次，系統(tǒng)采用了分級消除直流偏置的辦法，將VCA810接成了偏置電壓可調的電路形式。
(5)放大器的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)采用了下述方法來減少干擾，避免自激，提高放大器的穩(wěn)定性：按照信號走向布線，各級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；對于電流型反饋運放THS3091D，特別注意了走線布局，如反饋線一定要走最短路線，因為長的線會引起大的附加相移；計算選擇合適的反饋電阻阻值，使其不因阻值太大而產生大的分布電容，導致大的附加相移，也不因阻值太大而降低放大器的帶寬。

2 軟件設計
MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)1996年開始推向市場的一種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、豐富的片內外設和方便靈活的開發(fā)手段，已成為眾多單片機系列中一顆耀眼的新星。對于MSP430系列而言，由于引進了FLASH型程序存儲器和JTAG技術，不僅使開發(fā)工具變得簡便，而且價格也相對低廉，并且還可以實現在線編程。程序采用C語言開發(fā)。VCA810的VG控制以及輸出電壓幅值檢測、顯示的流程圖如圖7、圖8所示。

3 系統(tǒng)測試
3．1 放大器幅頻特性及增益起伏測試
測試方案：輸入信號設為100 mV，調節(jié)控制電壓VG，測試不同增益下，放大器的幅頻特性。幅頻特性測試結果如表1所示。實驗結果表明，放大器的帶寬增益積基本等于3．36 GHz，增益可以達到40 dB以上，輸出電壓峰峰值可以達到29 V，在10 MHz內，增益起伏幾乎為零，波形非常平滑，沒有自激現象。40dB增益時，放大器下限截止頻率低于20Hz，上限截止頻率高于20MHz，結果如表1所示。

3．2 輸出端噪聲測試
增益調節(jié)到40 dB，將輸入端短路，測量出輸出端噪聲電壓的有效值為200 mV。

4 結語
本文給出了一個5 V單電源供電的寬帶低噪聲放大器的設計。測試結果表明，增益、帶寬、帶負載能力以及輸出電壓峰峰值等指標都能滿足設計要求。為解決寬帶放大器的自激問題及減小輸出噪聲，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。