宽带放大器(A题)
摘要
本作品主要由增益放大器OPA820ID和功率放大芯片THS3091D,分别实现增益信号的调节和末级功率的放大，在20HZ到5MHZ带宽范围之间的小信号进行有效的放大，实现增益0dB到100dB之间连续可调，最大不失真输出电压有效值不小于10V，利用DC—DC变换器TPS61087DRC为末级放大电路供电。
系统主要由三个模块组成：前级放大电路；功率放大电路；供电电路，本设计在放大电路中设计了相位补偿电路和防止产生自激振荡电路，由于电路限用单电源供电，所以在电路设计时加入了合适的偏置。
关键词：宽带增益放大器 OPA820ID TPS61087DRC THS3091D
一方案选择与论证：
分析设计题目的各项要求，放大器的增益调节是重点，而功率放大是本题的难点，因此有以下的方案选择与论证。
1增益放大电路部分
方案一：采用TI公司提供的OPA820ID芯片，采用反相输入比例运算放大电路，设计简单，但容易产生自激振荡，电路稳定性差，不选用此方案。
方案二：采用多级放大器的级联实现增益放大，通过模拟开关选择信号的级联放大，每一级实现不同的增益放大，最终实现的增益等于各级增益之和。
此方案原理简单，但需较多模拟开关和较多运放的级联，增加了系统的成本和不稳定性，而且调试难度较大，增加了本身的不稳定性。
故放弃此方案。
方案三：采用TI公司提供的OPA820ID芯片，采用同相输入比例运算放大电路，设计简单，且能有效避免自激，稳定性好。
采取此方案。
2功率放大部分
方案：由于题目要求采用THS3091ID，所以放弃使用分立元件实现的方
案，而使用集成高速功率放大器THS3091D，驱动负载能力较大，低噪声，采用并联三个THS3091D高速宽带放大器，电路简单，增益可调，而且方便调试，为防止自激，我们采用输入电压从反相输入端输入，由于THS3091D为单电源供电，所以在其同相输入端加入直流偏置电路，以使同相输入电压为Vcc/2.其原理图见下。
总放大增益为16 dB。
而其在输出端能实现大电流输出，完全满足题目要求，实现起来简便易行，易于调试，且噪音小。
故采用此方案。
二理论分析计算：
1 增益分配：
（1）前级放大电路以OPA820ID为核心，其频率上下限控制在10HZ-10MHZ，其电压增益不小于40db。
前级放大电路有两级OPA820ID构成，为实现输入阻抗匹配，系统第一级为缓冲级，为扩展通频带，输入缓冲级增加一补偿电路。
第一级放大倍数为16dB，在其同向输入端加入直流偏置。
第二级放大倍数为16 dB。
题目要求放大电路不失真时输出电压峰峰值大于10V。
频率下限不大于20HZ，上限不小于5MH，而本电路对输入输出电压及频率都有限制，所以，必须合理分配各级放大器的放大倍数。
第一级电路由OPA820ID构成电压串联负反馈，在其同向输入端加入直流偏置电路以使其同相输入端电压稳定在Vpp/2，即2.5V。
为展宽电路通频带，在其电路反向输入负载并联30pf可调电容。
使并联后总的阻抗减小，频率增大，使高频顺利通过。
起补偿作用。
在此电路中，在OPA820ID电源端加入去耦电容和瓷珠。
以稳定输出电压及起滤波作用。
两级放大电路通过隔直电容级联。
末级放大电路以THS3091D为核心，其电压增益为16dB采用并联三个THS3091D高速宽带放大器，为防止自激，我们采用输入电压从反相输入端输入，由于THS3091为单电源供电，所以在其同相输入端加入直流偏置电路，以使同相输入电压为Vcc/2.其原理图见下。
总放大增益为16dB。
而其在输出端能实现
大电流输出，完全满足题目要求，实现起来简便易行，易于调试，且噪音小。
2：放大器带宽增益积
（1）带宽增益积（GBP ）是衡量放大器性能的一个重要参数。
电压反馈型运放带宽和增益存在一定关系：从对应波特图可看出：直流到由反馈回路决定得主极点Ｆｃ之间，带宽增益积恒定，在该频率以上，如果频率升高一倍增益就会降低一半，运算放大器的3db 宽频率就是Fc 放大器带宽增益积BW*Au=C 常数，所以设计电路时进行折衷选择。
题目要求通频带范围为20HZ-5MHZ,增益大于等于40db ，即Gain>=100V .故其GBP=500 故考虑多级放大器级联。
（2）假设放大电路的高频响应用下面单极点函数表示：
A(jw )=m A /(1+jw /h w ); (2--1)
式中m A 为放大器的中频增益，w 为角频率，h w 为上限角频率，当引入正反馈并假设反馈网络的反馈系数与频率无关的实数B 时，则有：
A
(jw )=A(jw )/[1+BA(jw )]; (2--2)
将式（2--1）代入式（2--2）中得
()jw A f =
[]
H
m B
A m
w B A jw
A
m )1(11+
+
+
(2--3) 由此可知，反馈中频增益为Am=Am/(1+AmB),上限角频率为W hf=Wh(1+AmB) 这说明引入负反馈后，放大电路的上限频率扩展了扩展程度与反馈深度F 有关。
对本系统直流放大器，放大器下限角频率为零赫兹，所以无馈时放大器通频带为BW=h f 接入正反馈后，放大器通频带为
B Wf =Hf f =(1+m A B) B w (2--4) 式（2—4）表明：引入负反馈后放大器通频带扩展到无反馈时的（1+AmB ）倍。
而且带宽增益积为一常数。
改善系统幅频特性不仅考虑带宽增益积就足够，还有其他因素的考虑，如运放的摆率，驱动负载的能力小信号的放大后输出信号的质量等。
3：抑制直流零点漂移
零点漂移是指输入信号为零时，由于受温度影响、电源电压不稳定等因素影响，是静态工作点发生变化，并被逐放大和传输，导致电路输出端偏离原固定值而漂移。
抑制零点漂移的措施除了精选元件、选用高稳定度电源以及稳定静态工作点之外，还可用设计差动输入级来抑制零漂。
在实际电路中，我们常采用补偿的办法来抑制。
补偿是指用另外一个元器件来抵消放大电路的漂移，使零点漂移降到最低。
本题我们在前级放大电路均设计了直流偏置电路，使零漂降到较低限度。
4：放大器稳定性理论分析
本作品主要通过采取抗干扰措施提高放大器的稳定性，系统全部采用印制板，减小寄生电容和寄生电感，采用铜板大面积接地，减小地回路。
级间采用同轴电缆相连，避免级间干扰和高频自激。
三：系统电路设计：
1前级放大电路：
前级放大电路有两级OPA820ID构成，此芯片为单电源15V供电。
第一级放大倍数为5倍，在其同向输入端加入直流偏置。
两极反相输入端对地电阻并接一30pf的可调电容，一方面起补偿作用，另一方面通过其阻抗的变化进而影响频率来展宽通频带，使高频顺利通过。
电路如图所示：
（前级放大电路如下）
2 功率放大电路
功率放大电路以集成高速功率放大器THS3091ID为核心，驱动负载能力较大，低噪声，采用并联三个THS3091D高速宽带放大器，电路简单，增益可调，而且方便调试，为防止自激，我们采用输入电压从反相输入端输入，由于THS3091ID为单电源供电，所以在其同相输入端加入直流偏置电路，以使同相输入电压为Vcc/2.其原理图见下。
总放大倍数为4倍。
而其在输出端能实现大电流输出，实现起来简便易行，易于调试，且噪音小。
四抗干扰措施
（1）将增益控制电路和功率放大电路分别装在屏蔽盒中，通过同轴电缆相连，避免极间干扰和高频自激。
（2）系统全部采用印制板，元器件尽量排布紧凑，连线尽量短，设置合理线宽实现阻抗匹配，元器件尽量采用表贴封装。
（3）在电路板下面采用铜板接地，增大系统的接地面积，减小地线上的噪声。
五测试条件与测试数据及表格
2数据测试方案、测试结果及分析
(1)最大输出电压有效值测量
输入端加设置输入信号频率为1MHZ正弦波，调节电压和增益测得不失真最大输出电压有效值。
输入有效值：100mv
预置增益：40db
输出有效值：10.2v
(2)输出噪声电压测量
增益调节到40dB,将输入端短路，输出电压有效值：0.07v
（3）频率特性测试
增益预置为40dB,输入峰峰值为100mV的正弦波，改变输入信号的频率，示波器测量不同频率时输出的有效值。
（4）高增益测试
200mV的正弦信号，改变输入信号的频率，测量输出信号的峰峰值，计算出实际增益。
（5）测试结果分析
系统能够满足所有要求，并有一定提高。
其中误差主要来源于控制电压与增益存在一定的非线性度。
但在误差允许范围内，本次实际符合所有要求。
六总结
系统能够满足题目所有要求，并作了一定的扩展。
在设计过程中充分考虑制作成本和功耗，在各放大档设计尽量使用电阻分压形式来减少运放个数，系统以低耗的三种芯片作为核心，采用低功耗模式，尽可能提高电源利用效率。
附录
（功率放大电路如下图）
（供电电路如下图）
R2J1
504。