C题——低噪声放大器2011年苏州地区高校“AMD”杯电子设计竞赛小组编号：11044摘要本系统使用TI公司的OPA842运算放大器，TH3091功率放大器为主要控制器，辅以电源、MSP430系列单片机，LCD显示等电路。

实现了低噪声放大的目标。

OPA842提供了单片运算放大器无法实现的速度和动态范围水平的要求。

主机采用LCD显示，用户界面友好。

在系统设计上，尽可能的降低功耗，低噪声。

整个系统结构清晰，经测试，该系统较好的实现了题目所要求的基本和发挥功能。

0引言放大器的应用在工业技术领域中得到了广泛的认可，在许多场合下需要将传感器得到的微弱电信号放大来驱动相应的执行机构。

比如电子秤，压力传感器转化得到的电信号十分微弱，不足以驱动相应的显示功能和准确的被辨识，所以需要放大器将此微弱的电信号进行放大。

本文设计实现了一个宽带增益放大器，采用220V 交流电供电，核心部分采用TI 公司的高速运算放大器OPA842进行前级放大，中间采用射级电压跟随器，采用电流反馈型功率放大器THS3091作为末级放大部分，驱动50Ω阻性负载。

最终输出增益达到43.5dB ，最大不失真输出电压峰峰值达到15V 。

输出信号采用AD637进行峰值检测，经过A/D 转换接入MSP430F149型16位单片机微控制器LCD 显示出峰峰值大小，并且能够用普通220V 交流电进行供电。

带宽为20HZ —3M ，在达到3MHZ 后以40dB 的速率衰减。

1 方案设计与论证1.1 系统总体方案经过仔细的分析和论证，此宽带放大器将分为五个模块：前级放大电路，中级电压跟随电路，后级功率放大电路，峰值检测电路和单片机显示模块。

前级放大器OPA842和电压跟随器OPA692需±5V 直流供电，后级功率放大器THS3091需±15V 直流供电，故考虑采用电源模块专门进行电源的输出。

输入电压经过两级OPA842放大后，增益能够达到20倍以上，满足带宽后输出信号进入功率放大，输出电压峰峰值达到15V 。

峰值检测出电压值经过AD 转换后可实时显示在LCD 上。

系统的总体方案图：图1.2单元设计方案1.2.1 前级放大经论证选择两种方案来实现放大，对比和采用情况如下：方案一：放大倍数要求大于40dB，选择NE5532设计的放大器，放大低频信号很成功，但是当频率大于1M后增益即沿着偶那个衰减。

3M时不仅电压无放大，反而衰减为输入信号的一半。

方案二：采用单片集成的放大电路来放大电路。

用两片OPA842串联而成，由于OPA842的带宽增益积较大，可用其作为前级输入放大。

并且用两片放大器保证放大的信号倍数和带宽符合要求。

此方案电路简单，调试容易，自激比较小，因而选取此方案。

信号输入Vi1信号输出V o1前级放大我们要在前级放大电路中放大倍数为100倍，同时满足5M的带宽，两级OPA842放大倍数稳定最大为20倍，从电路图可以看出。

前级放大电路的增益为G=1+/。

当两只电阻的输入至少满足3倍关系后，输出电压的幅值可达到输入电压信号的4倍。

所以可以设置第一级OPA842放大为4倍，第二级OPA842放大5倍左右即可。

1.2.2功率放大方案为使在负载为50Ω的电阻上最大输出电压峰峰值大于10V，且波形无明显失真，需要进行功率放大输出。

方案一：采用分立元件实现带宽功率放大器，可以实现较大的输出电压，但需采用多级高频放大电路，受电路分布参数影响，调试难度大，带宽难以保证，所以不选用此方案。

方案二：采用BUF634实现功率放大。

外围电路简单，容易实现。

但BUF634的最大输出功率较低，不能到达电路的输出要求，因而不选用此方案。

方案三：采用单片集成宽带运算放大器THS3091提供较高的输出电压，通过并联运放的方式扩流输出。

此方案电路简单，提升放大器带负载的能力。

调试难度较小，且输出功率满足要求，故选用此方案。

输入V o3(V o2)输出V o3功放采用的是低噪声、GBW达百兆以上的THS3091。

由于放大倍数为5，电源电压为正负15v，故最大带宽可达150MHz。

带负载后最大不失真电压可10v以上，符合要求。

1.3射级跟随器（电压跟随器）选用NE5532设计一个射级跟随器，基础部分选取频率大于3MHz后衰减，后期发挥部分选取5MHz后衰减。

输入Vi2（V o1）输出V o2设计跟随器设计跟随器仿真图仿真图重合，波形不变，跟随器效果实现效果。

1.4峰值检测设计方案方案一：用二极管电容型进行峰值检测，可将场效应管当作二极管用，可有效减小反向电流同时增加运放的输出运输力。

优点是性价比高，但是此方案电路复杂，容易自激，峰值检测效果不好，因而不选用此方案。

方案二：采用AD637集成芯片进行峰值检测，芯片输出的是有效值，和电路的输入信号峰峰值有固定的联系。

同时此电路简单，调试容易，并且显示稳定，因而采用此方案。

我们选用AD637来进行峰值检测，它能够有效地检测出输入信号的有效值，其基本电路图如下：CAv=1uf，CUc=3.3uf。

2．电路分析2.1 放大器的稳定性系统前级输入放大和后级功率放大总共可达100dB，因此抗干扰措施必须要做得很好才能避免自激和减小噪声。

我们采用下述方法减小干扰，避免自激，提高放大器的稳定性：1.构建闭路环。

严格按信号走向布线，前级放大电路将整个地线连接在一起，缩短地线的回路，吸收高频信号减小噪声。

在功率放大模块也采用此方法，能有效地避免高频辐射。

2.在每个模块都加入滤波电路，能够有效地减小自激振荡。

3.各部分摆放位置严格按照信号的走向，，减小板与板之间的连线长度。

实践证明，电路的抗干扰措施比较好，在整个通频带范围内和整个增益范围内自激都很小，系统稳定。

2软件设计与流程2.1系统软件介绍软件部分采用模块化程序设计的方法，由主控制程序、AD转换程序和LCD显示程序组成。

我们选用MSP430F149型16位单片机微控制器，该器件中断处理能力强，适合于实时、高速的应用领域，在其编译环境下可以内嵌C高级语言，C函数与汇编函数可以很方便的相互调用，所以编程效率高而且可靠。

2.2程序流程图峰值检测AD输入模块流程图：2.3AD转换我们采用的AD芯片为单通道TLC549芯片，其转换精度为5/256≈0.02V，而我们峰峰值检测输出的为有效值，所以我们处理的峰峰值精度为，最大输出的峰峰值约为14.08V3系统测试与误差分析3.1测试仪器（1）UT803多功能数字万用表（2）数字示波器DS1022C（3）F05A型数字合成函数发生器/计数器（4）DF1731SC2A直流电源3.2测试方法硬件模块测试：系统本身由三个独立的模块构成，可以分四部分进行调试。

首先对前级放大电路进行测试，测试前级放大的倍数和带宽是否符合理论。

对于功率放大电路，通过前级的输入电压看是否输出电压的峰峰值大于10V，同时也满足大于5M带宽的要求。

最后测试峰值检测电路，观察它的输出电压和输入电压的关系。

软件模块测试：采用自下而上的调试方式，先进行模块测试程序的调试，待全部通过之后将所有的软件程序串接起来并结合硬件电路进行整体调试。

3.3测试数据前两级输入输出特性,输入：Vpp=100mv,从输出地数据来看，系统的增益和带宽都符合要求。

三级级联并滤波输出，输入Vpp=100mv从输出的来看，系统的增益符合要求，但带宽只能到4M左右，不能达到发挥部分的5M。

3.4结果分析3.4.1实验结果分析从实验的数据来看，第一二级有效地放大了20倍的增益，第三级放大了5倍的增益，满足要求，但是当三级串联时，系统无法达到发挥部分5M的要求，只能输出大概4M的带宽。

3.4.2误差分析我们的误差主要来源于电路的自激，由于电路的局部接线布局不是很合理，并且系统的滤波不够，造成系统有自激现象。

同时由于测试场地有许多的电源和仪器开着电源，电磁噪声很大，影响了测量的输入端的信号。

另外仪器精度不够高，电子器件不够精确，认为存在误差，都使测量数据达不到理论值，但我们通过多次测量取平均值来减小误差。

4实验问题及解决（1）问题：前级放大电路自激。

解决：实验中我们在前级放大电路一直遇到自激的问题，我们在连第一片OPA842时输出波形很好，但当我们接上第二片OPA842时我们发现前一片发生了自激现象。

我们在确保电路完全正确的情况下，开始消除自激。

首先我们减小了每块放大器的放大倍数，我们发现输出波形的毛刺减小了很多。

其次我们在每块输出端加上了一个电容，我们逐步的调节电容值，直到输出的波形比较稳定，从而有效地减小了自激现象。

（2）问题：输入端电压和函数发生器不符合。

解决：实验中我们在输入端接函数发生器时，我们发现输入电压衰减了，这是系统的输入电阻较大的原因，分的一部分函数发生器的电压。

我们在前级放大电路后面接上了一个射极跟随器来稳定输出的电压，当后面接负载时，其电压几乎不会发生变化。

（3）问题：前级放大电路和后级功率放大运放工作电压不同，如何制作电源。

解决：前级功放电路供电需要±5V，后级功率放大运放电压需±15V，我们可以设计一个电源，它经过变压器和桥式电路后整流分别输出±5V和±15V的电压。

（4）问题：在输出端加入电感可以消除自激，但是带宽减小，如何平衡。

解决：在输出段加入电容后，虽然可以减小自激，但是同时也减小了带宽，我们可以在输出端加入RC补偿电路来改善系统的性能，可以保持系统的增益和带宽的平衡。

低噪声放大器5总结综合上述各部分的测试结果，本设计完成了题目基本要求的部分，还较好的完成了题目发挥部分的要求，提高输出电压幅度，同时满足一定的带宽。

在去耦和降噪措施的综合应用保证放大器稳定工作并且降低了噪声。

实验中我们遇到了一些问题，在小组成员的通力合作中得到了圆满的解决。

这次实验不仅增强了我们的实践能力和协作精神，而且让我们懂得了理论联系实际的重要性。

当然我们的设计中还有一些缺陷，还有待于将来设计中进一步提高。

参考文献[1]蔡锦福.运算放大器原理与应用［M］.北京:科学出版社，2006:61-86[2]刘京南等.《电子电路基础》.电子工业出版社，2008年4月.[3]康华光等.《电子技术基础》.高等教育出版社，2006年3月.[4]张华林等.《电子设计竞赛实训教程》.北京航空航天大学. 2007年7月。

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