中心議題：

• 探究MSP430的直流寬帶放大器設計
• 放大器幅頻特性及增益起伏測試

解決方案：

• 采用DC／DC定電壓隔離非穩壓模塊A0512S-2W

• 選用TI公司生產的集成壓控增益放大器VCA810作為主增益控製

suizheshehuishengchanlidefazhan，renmenpoqiediyaoqiunenggouyuanjulisuishisuidixunsuerzhunquedichuansongduomeitixinxi。yushi

，wuxiantongxinjishudedaolexunmengdefazhan，jishuyeyuelaiyuechengshu。erkuandaifangdaqishishangshutongxinxitongheqitadianzixitongbibukeshaodeyibufen
，dizaoshengfangdadianlumokuaihendachengdushangjuedinglexitongdezhengtizhibiao。youcikezhi
，kuandaifangdaqizaitongxinxitongzhongqidaofeichangzhongyaodezuoyong，yushirenmenduitadeyaoqiuyeyuelaiyuegao。

1 總體設計方案

1．1 寬帶放大器設計技術指標

寬帶放大電路的設計中主要考慮增益、通頻帶
、動態範圍，穩定性等。這裏設計的主要指標如下：

(1)用5 V單電源供電
，輸出為50 Ω阻性負載

；

(2)放大器電壓增益大於等於40 dB(100倍)，並盡量減小帶內波動
；

(3)在最大增益下

，放大器下限截止頻率不高於20 Hz
，上限截止頻率不低於10 MHz；

(4)在輸出負載上，放大器最大不失真輸出電壓峰峰值大於等於10 V。放大器輸入為正弦波時，可測量並數字顯示放大器輸出電壓的峰峰值和有效值。 1．2 總體方案描述

係統組成框圖如圖1所示。係統主要由4個部分構成：前置放大電路
、可控增益放大電路、後級功率放大電路和單片機顯示控製模塊。第一級用OPA820ID構成的放大電路增益為6 dB，實現了輸入阻抗匹配；可控增益放大電路由VCA810組成，實現了-40～+40 dB的動態增益變化；後級放大電路增益為14 dB

；單片機顯示控製模塊完成對VCA810的控製以及輸出電壓檢測功能並用液晶顯示輸出電壓的峰峰值和有效值。
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1．3 電路設計

前級放大電路由OPA820ID組成
，OPA820是單位增益穩定低噪聲電壓反饋運算放大器，具有特點是：高帶寬(240 MHz

，G=+2)；高輸出電流(±110 mA)；低輸入噪聲；完美的電流準確性
，25℃輸入偏置電壓=±750μV
，輸入偏置電流為±400 nA信號從同相端輸入，增益為(1+R17／R18)=2倍，為6 dB。電路如圖2所示。

選用TI公司生產的集成壓控增益放大器VCA810作為主增益控製，壓控增益放大器的增益與控製電壓成線性關係
，控製電壓由單片機控製DAC產生。VCA810具有-40～+40 dB的增益控製範圍，精度達到1 dB，帶寬25 MHz。如圖3所示。
末級放大電路由THS3091 D構成
，THS3091D是高輸出電壓低失真的電流反饋運算放大器。具有特點是：高帶寬(210 MHz，G=2，RL=100 Ω)
；高輸出驅動電流(250 mA)
；低失真
、低噪聲；高供電電源範圍(5～15 V)；信號從同相端輸入，增益為1+1 000／250=5倍。輸出采用兩個THS3091並聯的方式，增加驅動能力。如圖4所示。 峰值電壓檢測電路采用高頻三極管組成射級跟隨檢波電路，三極管包絡檢波器具有一定的放大作用，Kd>1，同時還使輸入電阻Rid增大為二級管檢波器的(1+β)倍。檢測得到的峰值通過A／D轉換，再由單片機顯示輸出電壓的幅值。檢波電路如圖5所示。
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采用DC／DC定電壓隔離非穩壓模塊A0512S-2W，將5 V單電源變換成±12 V，再利用穩壓模塊變換成±5 V電源，給前兩級放大器供電。電路如圖6所示。類似地
，用定電壓隔離模塊A0515S-2W
，將5 V變換至±15 V電源為末級放大器供電。如圖6所示。
1．4 理論分析與計算

(1)增益分配。為實現阻抗匹配
，係統第一級為輸入緩衝級，為了擴展係統的通頻帶
，輸入緩衝級增益為6 dB。VCA810的增益調節範圍為-40～+40 dB，最高的線性增益誤差隻有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

，後級放大器增益為5倍
，可以使最大不失真輸出電壓峰峰值大於等於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，整個係統上限截止頻率不低於10 MHz。另外，三級電路采用的是直流耦合方式，下限截止頻率不高於20 Hz。該係統選用的高速、寬帶運放
，使信號在通頻帶內的增益更加平坦。

(3)線(xian)性(xing)相(xiang)位(wei)。為(wei)了(le)使(shi)係(xi)統(tong)在(zai)整(zheng)個(ge)通(tong)頻(pin)帶(dai)內(nei)實(shi)現(xian)線(xian)性(xing)相(xiang)位(wei)
，在(zai)設(she)計(ji)中(zhong)嚴(yan)格(ge)按(an)照(zhao)阻(zu)抗(kang)匹(pi)配(pei)原(yuan)則(ze)
，使(shi)其(qi)負(fu)載(zai)呈(cheng)純(chun)阻(zu)性(xing)
，構(gou)建(jian)閉(bi)環(huan)路(lu)。各(ge)個(ge)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)均(jun)加(jia)有(you)退(tui)耦(ou)電(dian)容(rong)
，減(jian)小(xiao)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)電(dian)容(rong)的(de)影(ying)響(xiang)。

(4)抑yi製zhi直zhi流liu零ling點dian漂piao移yi。零ling點dian漂piao移yi現xian象xiang是shi輸shu入ru電dian壓ya為wei零ling但dan輸shu出chu電dian壓ya不bu為wei零ling的de現xian象xiang。由you於yu係xi統tong為wei寬kuan帶dai直zhi流liu放fang大da器qi
，所suo以yi各ge級ji之zhi間jian必bi須xu采cai用yong直zhi流liu耦ou合he方fang式shi

，然ran而er對dui於yu高gao增zeng益yi的de放fang大da電dian路lu
，前qian級ji的de微wei小xiao輸shu入ru失shi調tiao電dian壓ya經jing放fang大da後hou也ye將jiang產chan生sheng較jiao大da的de偏pian置zhi。對dui於yu寬kuan帶dai直zhi流liu放fang大da器qi，必bi須xu對dui直zhi流liu零ling點dian漂piao移yi有you很hen好hao的de抑yi製zhi性xing能neng。係xi統tong的de直zhi流liu零ling漂piao由you三san級ji共gong同tong決jue定ding，而er且qie前qian級ji電dian路lu的de偏pian置zhi對dui係xi統tong影ying響xiang較jiao大da。首shou先xian，係xi統tong采cai用yong了le單dan位wei增zeng益yi穩wen定ding
、低噪聲的寬帶運放OPA820ID構成前級放大電路，其次，係統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)放大器的穩定性。該係統采用了下述方法來減少幹擾，避免自激，提高放大器的穩定性：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；對於電流型反饋運放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。
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2 軟件設計

MSP430係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)。由於它具有極低的功耗、豐富的片內外設和方便靈活的開發手段，已成為眾多單片機係列中一顆耀眼的新星。對於MSP430係列而言，由於引進了FLASH型程序存儲器和JTAG技術，不僅使開發工具變得簡便

，而且價格也相對低廉
，並且還可以實現在線編程。程序采用C語言開發。VCA810的VG控製以及輸出電壓幅值檢測、顯示的流程圖如圖7、圖8所示。 3 係統測試

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，調節控製電壓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於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於20Hz，上限截止頻率高於20MHz，結果如表1所示。 3．2 輸出端噪聲測試

增益調節到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dai負fu載zai能neng力li以yi及ji輸shu出chu電dian壓ya峰feng峰feng值zhi等deng指zhi標biao都dou能neng滿man足zu設she計ji要yao求qiu。為wei解jie決jue寬kuan帶dai放fang大da器qi的de自zi激ji問wen題ti及ji減jian小xiao輸shu出chu噪zao聲sheng
，采cai用yong了le多duo種zhong形xing式shi的de抗kang幹gan擾rao措cuo施shi，抑yi製zhi噪zao聲sheng，改gai善shan放fang大da器qi的de穩wen定ding性xing。