基于单片机MSP430F449的宽带直流放大器设计

王鹏云

（宝鸡文理学院 电气系，陕西 宝鸡 721016）

宽带直流放大器是将输出的微弱信号或通信接收端接收到的空中微弱信号进行提取、放大。只有将信号放大到一定程度才能满足后级设备的要求，使得分析结果正确。同时很多电工设备还要求具有一定输出功率，才能驱动后级设备或使通信的发射端将信号有效传输到接收端。然而面对多种多样的放大要求，现在的放大电路多采用集成电路形式，难以在频带、增益动态范围、功率等参数上满足实际要求，因此本文提出基于单片机MSP430F449的宽带直流放大器，将满足0～10 M带宽范围内的小信号，实现0～100 dB增益的可调范围[1－2]。

1 系统简介

单片机MSP430F449为控制芯片，系统总体设计主要由6个模块组成：直流稳压源、前级放大电路、可控增益放大电路、滤波器、功率放大以及控制和显示模块。系统结构如图1所示。

图1 宽带直流放大器系统结构图Fig.1 A broadband DC amplifier structural figure of system

输入信号先经过阻抗匹配后进入40倍固定增益放大器OPA847，通过手动调节端对前级放大器引入的直流和直流零点漂移进行补偿后，进入可控增益放大模块。该模块由AD603配合以固定增益档组成，实现－14～86 dB的手动或程控增益调节。其中MSP430F449单片机来控制双路数模转换器TLV5638实现AD603的程控增益调节和整体后级放大模块引入的直流的软件补偿。随后信号进入滤波器模块和功率放大电路，由单片机控制滤波器带宽限制模块，该部分由切换继电器实现。最后一级功率放大器放大固定的增益14 dB，最终实现0～100 dB增益可调范围。

2 放大器理论分析

2.1 放大器带宽增益积

电压反馈型（VFB）运算放大器的增益和带宽存在一定的关系：从对应的波特图上可以看出，从直流到反馈环路的主极点所决定的截止频率Fc之间，增益保持不变，若超出截止频率范围，则频率升高一倍，增益减半。设运算放大器3 dB带宽为Fc，增益越高带宽越窄，则有带宽增益积BW·Au=常数，Au为放大器放大倍数。所以电路设计时，放大器带宽和增益要折衷选择。

假设放大电路的高频响应用以下单极点函数[3]表示。

其中Am为放大器的中频增益，ω为角频率，上限角频率的倒数。引入负反馈并假设反馈网络中反馈系数是与频率无关的实数B时，有

将（1）式代入（2）式得

从（3）式可知，反馈中频增益为 Amf=Am/（1+AmB），上限角频率ωHf为

由此说明，引入负反馈后，放大电路的上限频率扩展了并与反馈深度F有关。

由于本系统直流宽带放大器，其下限角频率为零赫兹，所以无馈时放大器的通频带BW=fH，引入负反馈后，放大器的通频带变为

（5）式表明，引入负反馈后放大器通频带扩展到无反馈时的（1+AmB）倍。而且有

而对于电流反馈型）CFB）运算放大器而言，在电流反馈运放中，开环响应是输出电压对输入电流的响应。因此，与电压反馈运放不同，电流反馈运放输入和输出之间的关系不是用增益表示，而是用跨阻表示。电流反馈运放的跨阻在一般在500kΩ～1MΩ之间。 因此电流反馈运放没有恒定的增益带宽积。即当增益随着频率增加而降低时，降低的规律就不是增益衰减一半，带宽扩展一倍了。电流反馈运放可以在较宽的增益范围内保持高带宽，但这是以牺牲限制反馈阻抗为代价的。

本系统中使用的 OPA847，THS3001，THS3095带宽增益积分别为 3.9 GHz，420 MHz，20 MHz。 当然，改善系统幅频特性不仅仅考虑带宽增益积，还要考虑其他因数如运放的摆率、驱动负载的能力和小信号放大后的输出信号质量等。

2.2 放大器稳定性分析

1）产生自激振荡的条件及原因：设多级点反馈放大器的闭环增益函数[4.5]

令s=jω，则稳态频率响应

上式中，若在某一频率 ωosc上，满足环路增益 T（jωosc）=-1，则

式中

由（8）式可知，当 T（jωosc）=-1 时，环路增益函数 Af（jωosc）→∞。这说明输入信号为零时，仍有某一频率的信号输出，因此反馈放大器出现自激。其中（10）式称为自激的幅度平衡条件，而式（11）称为自激的相位平衡条件。幅度平衡条件与反馈的深度有关，而相位平衡条件取决于反馈系统的附加相移。由此可见，反馈系统必须同时满足幅度和相位的平衡条件才能出现自激。

2）稳定性分析：上式结论得到，如果放大电路不满足自激的幅度条件或相位条件，就不会自激或成为正反馈电路，即电路是一稳定的放大电路。但实际应用中，要保证放大器稳定工作，仅仅满足上述不自激条件是不充分的，若放大器处于接近自激条件状况下，一旦外界因素发生变化导致T（jω）变化，就有可能满足自激条件使电路不稳定，因此要保证放大器远离自激状态。这种远离程度用稳定裕度来表示，它有两种表示方法，即相位裕量γV或者增益裕量γg（两种判断稳定性的准则是等价的），分别定义为

其中ωg为增益交界角频率，ωV为相角交界频率，显然γV和γg为正值，且值越大放大器越稳定。

3 级联放大器硬件设计与实现

放大器级联设计总体分为3个部分，其中第一级和第三级为固定增益放大。第一级放大器如图2所示。图中低电压噪声芯片OPA847实现40倍的固定倍数放大[6]。增益带宽积高达3.9 GHz，在大于 1 MHz的模拟输入电压噪声为 0.85 nV/Hz并且有 950 V/μs的摆率。放大器输入端使用滑动变阻器R6实现手动失调电压等的补偿。

图2 第一级放大器Fig.2 The first level amplifier

该放大器使用3个继电器和4片高性能运放实现100 dB的增益调节[7]。如图3所示，继电器 1实现－6 dB和－26 dB固定增益切换，继电器2实现0 dB和－40 dB固定增益切换，继电器3实现0 dB和－20 dB固定增益切。AD603实现0～20 dB的增益调节，THS3001实现 20 dB固定增益放大。

图3 第二级放大器Fig.3 The second level amplifier

第三级功率放大电路如图4所示，信号经过滤波器以后进入功率放大模块。功率放大采用三级THS3091并联以增强运放的驱动负载的能力。

图4 第三级放大器Fig.4 The third level amplifier

4 软件程序设计

系统的程序控制部分由单片机 MSP430F449完成，主要用来控制继电器的切换实现不同增益的切换和滤波器的选择，控制TLV5638的两路拟输出电平，一路产生AD603的控制电压一路后即放大的失调直流进行补偿。软件流程图如图5所示。

图5 软件流程图Fig.5 The soft flow process chart

5 放大器测试结果

1）放大器直流增益测试。测试数据如表1所示。

表1 放大器直流增益测试表Tab.1 Amplifier DC gain test table

2）放大器交流增益测试。测试数据如表2所示输入信号频率为500 kHz，输入信号以信号有效值为单位。输出信号以示波器的输出电压峰峰值为标准，计算出交流增益和相对误差。 表2中输入电压为有效值，实测电压是信号的峰峰值。

表2 放大器交流增益测试表Tab.2 Amplifier AC gain test table

从表1和表2中，可以看出，系统中存在一定的增益误差，这主要来源于AD603提供控制增益的D/A的量化误差以及AD603控制电压与增益存在一定程度的非线性度。滤波器在通带内存在的波纹也会导致增益误差。

6 结 论

基于单片机MSP430F449的宽带直流放大器[8]，共由6个主要模块构成，放大器采用三级级联的形式，能满足0～10 M带宽范围内的小信号，并实现0～100 dB增益的可调范围。通过测试证明了系统的可行性和实用性。

[1]付伟，冯美英.宽带直流放大器研究[J].煤炭技术，2011，30（1）：52－54.FU Wei，FENG Mei-ying.The research of the broadband DC amplifier[J].Coal Technology，2011，30（1）：52－54.

[2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[3]朗静.功率集成电路的研究和设计[D].西安：西安电子科技大学，2007.

[4]陈艳.一种音频功率放大器芯片的设计[D].武汉:华中科技大学，2006.

[5]呼延木子.高性能音频功率放大器的设计与实现 [D].西安：西安电子科技大学，2007.

[6]毛大平.浅谈功率放大器的基本技术指标明[J].现代电影技术，2008（6）:44－48.MAO Da-ping.Talking about the basic specifications of the power amplifier[J].Modern Film Technology，2008（6）:44－48.

[7]塞尔吉欧·弗朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].刘树棠，朱茂林，荣玫，译.西安：西安交通大学出版社，2004.

[8]王晓斐，封维忠，吴海青.基于MSP430的直流宽带放大器设计[J].现代电子技术，2011（16）:116－118，122.WANG Xiao-fei，FENG Wei-zhong，WU Hai-qing.Design of broadband DC amplifier based on MSP430[J].Modern Electronics Technique，2011（16）:116－118，122.