【我与TI的结缘】＋TI运放助力电子大赛

High哥

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 上次和大家聊了一下【我与TI的结缘】的原因，就是因为MSP430单片机，
具体帖子在这里【我与TI的结缘】+MSP430系列单片机
今天在和大家聊聊我曾经用过的TI的一些运放吧，或者说是我前两年做电子大赛时用的TI运放做的一些题吧。

                                2013年全国大学生电子大赛——射频放大器
群里应该有很多学生朋友，或者是以前参加过电子大赛的，对这个题目应该比较熟悉了。
论坛里貌似以前也讨论过，我简单的抄一些题目：
一、  项目内容及要求
1、 设计并制作一个射频宽带放大器。
要求电压增益 Av≥ 60dB， 且增益在0~60dB 范围内可调， 输入阻抗 Ri=50Ω，
在输入电压有效值 Ui≤1mV，放大器BW-3bB 的下限频率 fL≤0.3MHz, 上限频率 fH≥100MHz，
放大器在 1MHz~80MHz 频带内增益起伏≤1dB， 最大输出正弦电压有效值 Uo≥1V，
输出端噪声电压峰峰值UoNpp≤100mV，在输出阻抗 RL=50Ω的情况输出信号波形无明显失真。
2、 基本功能 （ 1）、 电压增益 Av≥20dB， 输入电压有效值 Ui≤20mV。 Av 在 0～20dB 范围内可调。
（ 2）、 最大输出正弦波电压有效值 Uo≥200mV，输出信号波形无明显失真。
（ 3）、 放大器 BW-3dB 的下限频率 fL≤ 0.3MHz，上限频率 fH≥ 20MHz，并 在 1MHz～15MHz 频带内增益起伏≤1dB。
（ 4）、 放大器的输入阻抗 = 50Ω ，输出阻抗 = 50 Ω 。
3、 发挥部分 （ 1）、 电压增益 Av≥60dB， 输入电压有效值 Ui ≤1 mV。 Av 在 0～60dB范围内可调。
（ 2）、 在 Av ≥60dB 时，输出端噪声电压的峰峰值 UoNpp≤100mV。
（ 3）、 放大器 BW、 -3dB 的下限频率 fL≤0.3MHz，上限频率 fH≥100MHz，
并要求 在 1MHz～80MHz 频带内增益起伏≤ 1dB。该项目要求在 Av≥60 dB （或可达到的最高电压增益点） ，
最大输出正弦波电压有效值Uo≥ 1V，输出信号波形无明显失真条件下测试。
（ 4）、 最大输出正弦波电压有效值 Uo≥1V，输出信号波形无明显失真。
（ 5）、 其他（例如进一步提高放大器的增益、带宽等） 。


或许论坛里早有人写过这个题目的方案了，我今天也简单的分享一下吧，
顺便参加一下【我与TI结缘】的这个活动——我用的就是TI的芯片，整体系统都是！



当年一拿到题目的时候i，和我们队友讨论了一下，我们就觉得做这个题目了。
但这个题目的难点就在于，频率高，达到了100MHz以上，要知道，学校，或者说什么我们学院那时候给我们用的示波器带宽就只有100MHz啊！！
也就是说我们硬件是已经输了。。。。
还把，其实题目最大的难度在于，在带宽内的0.1dB平坦度，这个是相当难做到的，所以建议说，这个就是拼芯片的！
谁的芯片好，这个指标就容易做到。还有一个，或许比较多的人容易忽略，那就是题目是有要求系统的噪声的！！
题目明确要求噪声UoNpp≤100mV，这个也是很难做的！！后来我去去上交读研的学长告诉我，
说东南大学那时候有博导计算过，要实现这个指标，板子最少得做4层，没有完整的电源和地平面，这个噪声是很难做到的！
4层板啊比赛的理论时间就三天三夜，。。。
这很明显又一个拼硬件资源的（还有一个就是拼仪器，比如，我们就没有高点带宽的示波器）！！

那时做这个题目，我们就打算用运放做了，因为运放做放大相对简单，
可以说基本焊上去就能好使（我那时候就是。。。。。当然只是运放部分）。。。
但是，一般的运放也是做不到的，因为题目明确要求120Mhz的带宽（我们那时候是冲国奖去的。。。。。）
还有就是60dB的增益，运放都有增益带宽积的概念，就是说，放大倍数上去了，带宽就下来了，
两者是反比的，但两者乘积理论是一个常数。还有有个就是，带宽内的平坦度，这个也决定了运放的增益不能过高。
其实，应该还有一个问题就是。。。。。自激！！！
玩过放大器的估计都试过自激吧。。。10倍20倍没问题，100倍，200倍也没问题，
但是，当你做10000倍放大时，你试试，电路做不好，上电就给你出来漂亮的正弦波，O(∩_∩)O哈哈~
所以说，运放选择很重要。



      射频放大器——放大部分


上面说了，我们打算用运放做放大，当然，也可以用ＭＯＳ管做，但是很难调试，其实有比运放还简单的方案——ＭＭＩＣ！！
用ＭＭＩＣ做，会更简单，可以用，只有用MMIC去做这个题目，其实指标很容易做到！！但是我那时不懂。。。。


好，回来。既然是运放，那就得选择一个号的运放，我那时候，吧手头的TI样片——比赛前后申请的，一片一片看，
看看那个参数可以做到，最后我发现了。。。O(∩_∩)O哈哈~，我找到了一个相当给力的运放——OPA847！！


OPA847有多么给力，我们来看一下参数：
FEATURES
● HIGH GAIN BANDWIDTH: 3.9GHz
● LOW INPUT VOLTAGE NOISE: 0.85nV/√Hz
● VERY LOW DISTORTION: –105dBc (5MHz)
● HIGH SLEW RATE: 950V/μs
● HIGH DC ACCURACY: V
IO < ±100μV
● LOW SUPPLY CURRENT: 18.1mA
● LOW SHUTDOWN POWER: 2mW
● STABLE FOR GAINS ≥ 12



增益带宽积3.9G!!这个给力不？？O(∩_∩)O哈哈~
就是说，你一级放大10倍，还能做到390MHz！！
还有一个就是，这个运放的噪声相当的低！！这样在噪声指标能拿到分，而且系统的灵敏度会更高！
芯片确定了，就是确定怎样去做了，就是说，是怎样放大。运放有放大基本的有同相放大和反向放大，
那用同相放大还是反向呢？？理想情况下，同相放大的输入阻抗无穷大，反向放大的输入阻抗就是串联的电阻，
同时，运放的输出阻抗为零。
为什么我要说阻抗，因为要阻抗匹配！！
频率低了随便接起来都能工作，频率高了，级与级间，板卡与板卡间阻抗不匹配，轻则电路性能下降，重则，系统自激，
上电就给你一个相当稳定漂亮的正弦波！！O(∩_∩)O~
所以说，需要做阻抗匹配。


那是不是说，只能用为了阻抗匹配，运放放大就只能用反向放大了呢？
High鸟菜的回答是，NO！！还记得那时，我们实验室，貌似都使用了方向放大。。。。
但是我就偏偏使用同相放大。。。。
O(∩_∩)O哈哈~貌似那时候只有我们一组的方案和其他人的方案是不一样的。。。。。

下面，就是最关键的了，也该是最多人关芯的了：
请看下图：



我那时候就是用这个电路做的，板子去年我送学弟了，貌似整套系统都被他们拆了。。。。所以不能上图了


注意看这个电路，这个是同相的，我那时候就是用这个电路做的，性能怎么样，后面告诉你。
对了，我用的参数，也基本和上面一样的，不过我电容用的是10uF的钽电容，还有就是，我加了一个0.01uF的和一个100pF的电容，
不用问我为什么加电容，说道这个，顺便问个问题，为什么芯片电源引脚需要加个电容？？一般还是0.1uF 的，也就是104？为什么要加了，
那加了为什么是104呢？？加其他的不行么？？O(∩_∩)O哈哈~，想明白这个，你就知道我是怎么想的了。
说回电路，上面说过了，级间需要阻抗匹配，那是怎样匹配呢？？
同相输入的阻抗不是无穷大么？？
看电路，看到那个同相段接到地的50Ω电阻了么？
那个就是匹配用的！！


还有输出端，串了个50欧姆的电阻，那个就是输出阻抗。。。O(∩_∩)O哈哈~
或许有人问了，电阻不是没有50Ω的标称值么？？
额。。。好吧，确实，。。。。不过串个51Ω的还是可以的。或者是49.9Ω的也可以，
就几百M的频率，差这么一点，还是表现不出来的，或者说是一般的仪器也测不出对系统的影响。







明白了怎么级与级的匹配了？？
那就OK了，参数有了，匹配做好了，放大部分就OK了。
O(∩_∩)O哈！一句话，焊上去就好使！


射频放大器——增益控制

放大部分解决了，题目还要求0dB。。。。就是说，这个是程控的。。。。放大简单，衰减也不难。。。。程控就。。。。
还有就是。。。带宽内平坦度啊！！、、
好吧，我当年就是这部分没有调好。。。。结果是真的悲剧了。。。。。。

那时候也想到用TI的增益控制芯片，那时候手上有VGA810、VGA820、VGA822、、、
但是频率都上不去啊！！100MHz啊。怎么上去啊！！VGA824，貌似可以。。但是没有啊。。买还是死贵死贵的。。。
据说某高校当时为了做这个比赛，特意从香港空运了几片VGA824.。。。。。
那我们用的是什么呢？？
这个芯片就和我们学院其他人的基本一样了——LMH6502

FEATURES DESCRIPTION
The LMH™6502 is a wideband DC coupled
23• V
S = ±5V, TA = 25°C, RF = 1kΩ, RG = 174Ω, RL =
100Ω, AV = AV(MAX) = 10 Typical Values Unless differential input voltage controlled gain stage
followed by a high-speed current feedback Op Amp
Specified.
which can directly drive a low impedance load. Gain
• -3dB BW: 130MHz adjustment range is more than 70dB for up to 10MHz.
• Gain Control BW: 100MHz
Maximum gain is set by external components and the
• Adjustment Range (Typical Over Temp): 70dB gain can be reduced all the way to cut-off. Power
• Gain Matching (Limit): ±0.6dB consumption is 300mW with a speed of 130MHz.
Output referred DC offset voltage is less than 350mV
• Slew Rate: 1800V/μs
over the entire gain control voltage range. Device-to-
• Supply Current (No Load): 27mA device Gain matching is within ±0.6dB at maximum
• Linear Output Current: ±75mA gain. Furthermore, gain at any VG is tested and the
tolerance is ensured. The output current feedback Op
• Output Voltage (RL = 100Ω): ±3.2V
Amp allows high frequency large signals (Slew Rate
• Input Voltage Noise: 7.7nV/√Hz = 1800V/μs) and can also drive heavy load current
• Input Current Noise: 2.4pA/√Hz (75mA). Differential inputs allow common mode
• THD (20MHz, RL = 100Ω, VO = 2VPP): −53dBc rejection in low level amplification or in applications
where signals are carried over relatively long wires.



有130MHz的带宽，100MHz的控制范围，做这个应该还是可以的了。

还有就是LMH6502这个电源电源是正负5V，和运放一样的电压，连接比较简单。
具体电路，请看下图：


、LMH6502是支持差分输入的，。但我们那时候应用的单端输入，基本就是上面的接法。
说到LMH6502这个芯片，我就是败在了这里！

那时候自己闷头调试这个芯片，没有调试好，尤其是调零的时候，感觉最后都没有充分发挥出芯片的性能——没有做到100MHz
。
说起这个芯片，就感觉心理空空的。。。。
为了大家以后少走弯路，提醒一下大家，这个芯片调零的时候一定要注意注意再注意，一定要调试好！否则芯片性能是不难充分发挥出来的！！
还有就是注意电路板的PCB布局布线，我那时候就是这里做得不好，菜做到了90MHz左右。。。。

射频放大器——电源
为什么我要单独写一下电源？？
因为电源很重要！！非常非常重要！！连电源都做不好，系统怎么工作》？
尤其是放大器，自激了，90%就是电源电路做不好，电源噪声太大了！
所以，我这里在说说电源！
那时候，其他组基本都是加了一堆电源芯片，一个运放两片，。。。。。真正的不差钱。。。

好吧，我是很差钱。。。。没有欧诺个电源芯片。。。
但是。。。O(∩_∩)O哈哈~，。。还有图方法嘛！
那时候。我让队友做了一块电源板，其实所谓的电源板就是一堆磁珠和电容。。。。。O(∩_∩)O哈哈~
那时候做了一块长长的电源板，上面按照我们做好系统的尺寸，放了一堆磁珠，各个型号的电容。。。密密麻麻的
然后再用杜邦线飞给每个芯片，这个芯片的电源就相当于隔离开来了。。。。
前段时间菜发现，MAXIM的射频板子就是建议走星形结构的电源。。。。。O(∩_∩)O哈哈~

最后，时间问题就不写了。。。。。。。