基于VCA820的压控增益放大器

YibinUniversity物理与电子工程学院计算机控制技术课程设计报告题目基于VCA820的压控增益放大器系别物理与电子工程学院专业2014年6月17日1摘要本设计是以VCA820和OPA690为主要元件的压控增益放大器，在TINA的仿真平台上实现电压的1000倍放大原理。VAC820在理想状态下可以达到1000倍的放大状态，然而波形容易出现失真。通过测试VCA820的参数数据可以得出它的线性区域，从而设计出二级放大电路。以VCA820作为一级放大元件放大100倍，再以OPA690作为二级放大元件，放大10倍，从而实现1000倍的放大，波形也未出现失真。关键词：压控增益放大器、TINA、VCA820、OPA6902目录第一章引言…………………………………………………………………3第二章概述…………………………………………………………………3一、VCA820简介……………………………………………………3二、OPA690简介……………………………………………………3第三章设计…………………………………………………………………4一、设计要求…………………………………………………………4二、设计仿真平台…………………………………………………4三、设计原理…………………………………………………………4四、VCA820参数测试………………………………………………5第四章仿真…………………………………………………………………7一、输入信号…………………………………………………………7二、仿真波形图………………………………………………………7第五章总结…………………………………………………………………7附录……………………………………………………………………………83第一章引言压控放大器（VCA）是增益受电压控制的器件，是可变增益的一种放大器，它可广泛应用于广播电台调音控制、音响自动控制、仪器仪表的前置放大控制、计算机采集系统的控制,亦可作为脉冲调制器、鉴相器、滤波器及高精度乘法器等。压控放大器目前朝着宽的动态范围,高的线性度方向发展。本次设计主要用VCA820来实现压控增益放大器的设计，同时以OPA690缓冲放大。第二章概述一、VCA820简介TI公司的VCA820芯片是一款直流耦合、宽带宽线性放大器，通过改变控制电压能够连续改变放大倍数。它提供高阻抗单端转换的差分输入，增益控制一般通过设置增益电阻和反馈电阻从理论上最大值设定到40db。VCA820的内部结构由两个输入缓冲和集成了一个乘法器内核的输出电路反馈放大级，该电路提供了一个无须外接缓冲就能有完整可变电压增益系统。最大增益由外部两个电阻设置，这为设计提供了很大灵活性。最大增益往往设置在2V/V~100V/V.当为该放大器提供5V操作电压时，在控制增益电压在0~2V变化的情况下，增益处于线性段。对于设置最大放大20dB，增益控制输入在1V~2V,当在最大环境温度为25℃时，误差不超过正负04dB。VCA820引脚配置如图2.1.1图2.1.1VCA820引脚配置二、OPA690简介OPA690对单位增益稳定有很大作用，电压反馈运放。一个新内部结构提供转换速率，大功率带宽先前只应用在宽带电流反馈运放。一个新输出级芯片结构输出高的电流占用较小的空间，这些技术结合起来提供了优秀的单电源运放。用单电源+5V供电，OPA690能驱动一个1V到4V输出摆动，以及150mA驱动电流，150MHz带宽。这组合特征构造OPA690一个理想RGB线路驱动器或单电源ADC输出驱动。OPA690的低5mA电源电流恰好在25保持平衡时，这平衡，随着低温度漂移，提供的最大电源电流比竞争产品更低。系统电源可会进一步减少使用可选禁用控制引脚，让禁用引脚开路或位于高电平，会使OPA690正常。如果拉低，OPA690电源电流下降到少于100uA，一会儿输出转到一个高阻抗状态。这特征能4用于节省电源。OPA690同普通运放管脚布置大体相同，唯一不同的是8管脚为低功耗模式控制端口，当此管脚悬空或者至高时则处于正常工作状态，如果置低则供电电流下降至100uA一下，芯片停止工作，处于省电模式。管脚分布图如图2.2.1。图2.2.1OPA690管脚分布图第三章设计一、设计要求（1）采用TI公司压控增益放大器VCA820；（2）输入1mV信号，放大输出1V；（3）用TINA软件仿真。二、仿真设计平台TI公司提供的第三方软件TINA。TINA设计套件是专门用来分析、设计和实时测试模拟、数字、VHDL和混合电子电路及其印版布局的一组软件。可以用它来分析射频、通讯和光电电路，也可以用来测试和调试微处理器和微控制器应用。TINA分析引擎可以在获得单线程计算机上同样精度，还可在双核或四核CPU计算机上获得20倍的执行速度。三、设计原理本仿真设计要求是输入1mV的信号，输出1V。VCA820的线性区域是40dB（即放大100倍），在仿真时也可达到理想状态60dB（即1000倍），故要达到1000倍（1V/1mV）可仅采用一级放大，但仿真出的波形存在部分失真，故过于勉强。因此本此设计为二级放大设计，这样仿真出的波形基本不存在失真，较为完美。本设计参考以下外围电路设计，如图3.3.1。5图3.3.1外围电路设计本次设计主要由三个部分组成，即电源部分、VCA820电压放大部分、OPA690电压放大部分。首先，电源部分为整个电路提供工作电源。然后，由VCA820实现100倍放大原理，引入VF1=1mV的信号源，经过VCA820放大后变为VF2=100mV的电压。最后，由OPA690实现10倍的放大原理，最终得出VF3=1V，电路整体实现了1000倍的放大。四、VCA820参数测试1、RG=200，RF=1k,VG:0-2V之间变化，输入电压Vi=1mv,频率f=1kHz。测试结果如图3.4.1所示VG(V)Vo089nV0.545.7uV0.81.25mV14.07mV1.57.28mV1.87.30mV27.30mV图3.4.1由表中数据可得，当RF/RG比值一定时，器件在VG为1.1-1.5V之间有较为精确地放大特性。2、RF=1K,VG=1V,RG:5-200之间变化，输入电压Vi=1mv,频率f=1kHz测试结果如图3.4.2所示6RGVo571.3mV1050.1mV5014.8mV1007.9mV2004.1mV图3.4.23、RG=50,VG=1V,RF:1K-100K之间变化，输入电压Vi=1mv,频率f=1kHz，测试结果如图3.4.3所示RGVo1K14.8mv10K144.4mv20K280.1mv40K524.5mv60K729.8mv80K893.5mv100K1.0v图3.4.3测试发现，能较好的放大信号且输出波形不失真。4、VG=1V,RF:1K-100K之间变化，将RG尽量减小如1，，输入电压Vi=1mv,频率f=1kHz测试结果如图3.4.4所示RFVo1k107.9mv10k1.1v20k2.0v40k3.7v60k4.64v80k4.8v100k4.5v图3.4.4经测试，RF变大，放大倍数也增大，在100k时停止增大，在RF=50K时输7出波形依然正常不失真，以后会出现失真情况。第四章仿真一、输入信号二、仿真波形图第五章总结在本次设计电路中发现并解决了几个问题，刚开始设计的电路并不合理，只用了一级VCA820放大，虽然这大大提高了芯片利用率且降低了成本，但放大1000倍对于VCA820太过勉强，会出现波形失真。因此后来设计为两级放大电路，以VCA820放大为基础，添加一个OPA690运放作为二级放大来进行缓冲，这样设计出的电路比较灵活，波形也不会出现失真8附录：电路原理图