基于MSP430的直流宽带放大器设计与实现

　　1．4 理论分析与计算

　　（1）增益分配。为实现阻抗匹配，系统第一级为输入缓冲级，为了扩展系统的通频带，输入缓冲级增益为6 dB。VCA810的增益调节范围为-40～+40 dB，最高的线性增益误差只有0．3 dB／V，末级放大电路设计了增益为14 dB，这样整个放大电路的增益为-20～+60 dB可调。 VCA810最大输出电压峰峰值为3．6 V，后级放大器增益为5倍，可以使最大不失真输出电压峰峰值大于等于10V。

　　（2）通频带分析。前级放大芯片选用OPA820ID，其增益为2的时候，带宽为240 MHz，带宽增益积为480 MHz。VCA810的带宽为固定的25 MHz而末级的THS3091D的带宽增益积为420 MHz，当增益为2时，带宽为210 MHz。由以上分析可知，整个系统上限截止频率不低于10 MHz。另外，三级电路采用的是直流耦合方式，下限截止频率不高于20 Hz。该系统选用的高速、宽带运放，使信号在通频带内的增益更加平坦。

　　（3）线性相位。为了使系统在整个通频带内实现线性相位，在设计中严格按照阻抗匹配原则，使其负载呈纯阻性，构建闭环路。各个集成电路均加有退耦电容，减小寄生电感电容的影响。

　　（4）抑制直流零点漂移。零点漂移现象是输入电压为零但输出电压不为零的现象。由于系统为宽带直流放大器，所以各级之间必须采用直流耦合方式，然而对于高增益的放大电路，前级的微小输入失调电压经放大后也将产生较大的偏置。对于宽带直流放大器，必须对直流零点漂移有很好的抑制性能。系统的直流零漂由三级共同决定，而且前级电路的偏置对系统影响较大。首先，系统采用了单位增益稳定、低噪声的宽带运放OPA820ID构成前级放大电路，其次，系统采用了分级消除直流偏置的办法，将VCA810接成了偏置电压可调的电路形式。

　　（5）放大器的稳定性。该系统采用了下述方法来减少干扰，避免自激，提高放大器的稳定性：按照信号走向布线，各级之间的连线使用同轴电缆；退耦电容尽量接近芯片电源引脚；对于电流型反馈运放THS3091D，特别注意了走线布局，如反馈线一定要走最短路线，因为长的线会引起大的附加相移；计算选择合适的反馈电阻阻值，使其不因阻值太大而产生大的分布电容，导致大的附加相移，也不因阻值太大而降低放大器的带宽。

　　2 软件设计

　　MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合处理器（Mixed Signal Processor）。由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。对于MSP430系列而言，由于引进了FLASH型程序存储器和JTAG技术，不仅使开发工具变得简便，而且价格也相对低廉，并且还可以实现在线编程。程序采用C语言开发。VCA810的VG控制以及输出电压幅值检测、显示的流程图如图7、图8所示。

　　3 系统测试

　　3．1 放大器幅频特性及增益起伏测试

　　测试方案：输入信号设为100 mV，调节控制电压VG，测试不同增益下，放大器的幅频特性。幅频特性测试结果如表1所示。实验结果表明，放大器的带宽增益积基本等于3．36 GHz，增益可以达到40 dB以上，输出电压峰峰值可以达到29 V，在10 MHz内，增益起伏几乎为零，波形非常平滑，没有自激现象。40dB增益时，放大器下限截止频率低于20Hz，上限截止频率高于20MHz，结果如表1所示。

　　3．2 输出端噪声测试

　　增益调节到40 dB，将输入端短路，测量出输出端噪声电压的有效值为200 mV。

　　4 结语

　　本文给出了一个5 V单电源供电的宽带低噪声放大器的设计。测试结果表明，增益、带宽、带负载能力以及输出电压峰峰值等指标都能满足设计要求。为解决宽带放大器的自激问题及减小输出噪声，采用了多种形式的抗干扰措施，抑制噪声，改善放大器的稳定性。