基于AVR的低噪聲放大器設計

丁金林

(蘇州市職業(yè)大學 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104)

基于AVR的低噪聲放大器設計

丁金林

(蘇州市職業(yè)大學 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104)

設計并制作一個3 MHz高性能低噪聲放大器，以增益穩(wěn)定、輸入低噪聲的電壓反饋放大器OPA820作為前置放大器，采用二階低通濾波器實現(xiàn)對3 MHz以上信號衰減，并經(jīng)功率放大器進行電壓及功率放大.為檢測低噪聲放大器的性能，將功率信號通過隔離、真有效值轉(zhuǎn)換，用AVR單片機進行采集并經(jīng)LCD顯示放大器輸出電壓有效值和峰峰值.由測試數(shù)據(jù)可知，放大器的性能優(yōu)良，電壓增益大于40 dB，最大不失真輸出電壓峰峰值大于10 V，有很強的實用性.

低噪聲放大器；噪聲系數(shù)；AVR單片機

低噪聲放大器，噪聲系數(shù)很低，一般用做各類無線電接收機的高頻或中頻前置放大器、以及高靈敏度電子探測設備的放大電路.在放大微弱信號的場合，放大器自身的噪聲對信號的干擾可能很嚴重，因此希望減小這種噪聲，以提高輸出的信噪比.低噪聲放大器能有效提高接收機的接收靈敏度，進而提高收發(fā)機的傳輸距離，提高整個通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量[1-2].一般情況下，低噪聲放大器設計要求輸入輸出阻抗匹配、噪聲系數(shù)盡量低、增益足夠高、功耗盡量低和一定的線性度等.在保證低功耗的前提下，實現(xiàn)阻抗的共扼匹配和噪聲匹配是低噪聲放大器的一個設計難點[3-5].本文設計了基于AVR單片機的低噪聲放大器，能實現(xiàn)對20 Hz到3 MHz的微弱信號進行不失真放大，并能對頻帶以外的信號很好地抑制.

1 系統(tǒng)結構及硬件實現(xiàn)

低噪聲放大器的設計主要包括前置放大電路、濾波電路、功率放大、隔離電路、交直流轉(zhuǎn)換電路、電源電路、控制器、LCD顯示電路.其系統(tǒng)框圖如圖1所示.

1.1 電源電路

電源模塊主要為后續(xù)電路模塊提供低噪、穩(wěn)定的電源，實現(xiàn)±12 V與±5 V的電壓輸出.電源電路原理圖如圖2所示，220 V交流電經(jīng)過變壓器降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓得到需要的直流電源電壓.

1.2 前置放大電路

系統(tǒng)的前置放大電路選用TI的低噪聲放大器OPA820進行信號放大，采用±5 V雙電源供電，頻帶寬度達到240 MHz.該OPA820可提供的單位增益穩(wěn)定，前置放大電路如圖3所示，由它構成的電壓反饋放大器具有非常低的輸入噪聲，實現(xiàn)輸入微弱信號的前置放大.

1.3 二階低通濾波器

前置放大輸出的放大信號經(jīng)過如圖4所示的二階低通濾波器，可實現(xiàn)＞3 MHz信號的抑制，并對前置放大輸出信號具有一定的放大作用.

1.4 功率放大及隔離電路

系統(tǒng)的功率放大電路采用低噪聲電流反饋型放大器THS3091芯片進行信號電壓及功率放大，電路采用±12 V雙電源供電，放大倍數(shù)約為20，其輸出具有較強的驅(qū)動能力；為了減小測量電路對其影響，選用放大器LF356設計電壓跟隨器，實現(xiàn)前后級的隔離，電路設計如圖5所示，其輸出信號Vo4作為交直流轉(zhuǎn)換的輸入信號.

1.5 交直流轉(zhuǎn)換電路

圖6所示為交直流轉(zhuǎn)換電路，采用±12 V雙電源供電，插頭J5為交流信號的輸入，J6為直流信號輸出，實現(xiàn)交流信號有效值到直流信號轉(zhuǎn)換.AD536是一種新型的真有效值器件，其內(nèi)部電路主要由4部分構成：求絕對值電路、平方除法器、鏡像電流源、輸出緩沖放大器，其轉(zhuǎn)換誤差不超過0.5%，通過調(diào)整濾波電容C16可減少轉(zhuǎn)換平均誤差.

1.6 控制器及顯示電路

控制器選用增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器Amega16，其帶有10位的A/D轉(zhuǎn)換器，可滿足系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換的精度要求，為了降低A/D轉(zhuǎn)換的誤差，通過U2產(chǎn)生穩(wěn)定的2.5 V參考電壓，進行誤差校正，其電路如圖7所示.J1為+5 V電源，J2為直流信號輸入，ADC0、ADC1分別為兩路A/D采集輸入，J5為系統(tǒng)調(diào)試接口，J6為LCD12864液晶顯示電路，S1為復位按鈕，S2、S3為鍵盤響應信號，控制器通過內(nèi)置的10位A/D轉(zhuǎn)換進行采樣，經(jīng)數(shù)據(jù)處理通過LCD12864顯示放大器的性能指標，并通過外部中斷實現(xiàn)對鍵盤信號的快速響應.

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計采用C語言[6]，模塊化設計，包括主程序模塊、系統(tǒng)初始化模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、字符格式轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊等，通過調(diào)用相應的模塊實現(xiàn).其主程序流程如圖8所示.其中A/D轉(zhuǎn)換模塊采用掃描方式，連續(xù)采集三次取平均值，電壓數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)對A/D采集的數(shù)據(jù)值進行處理，計算低噪聲放大器輸出電壓的有效值及峰峰值，通過格式轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為ASCII碼，方便液晶顯示.

3 測試方案與測試結果

由信號發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的正弦信號，將測試表筆接入系統(tǒng)的信號輸入端，在不同的頻率點上分別輸入不同幅度的正弦信號，示波器峰峰值示值為輸出負載50 Ω時的電壓值，LCD12864實現(xiàn)對輸出電壓的峰峰值與有效值的數(shù)字顯示，測試結果如表1所示.

由表1分析可知，在固定的頻率點上輸入不同的電壓，放大器輸出最大不失真峰峰值為12.3 V，大于10 V；通過計算，在不同的頻率點上放大器的電壓增益可達40 dB，帶內(nèi)波動較?。辉谧畲笤鲆嫦路糯笃飨孪藿刂诡l率低于20 Hz，上限截止頻率為3 MHz，放大器輸出的噪聲極?。辉? M頻帶以內(nèi)，LCD數(shù)字顯示峰峰值與有效值電壓的測量數(shù)據(jù)較穩(wěn)定、可靠，特別是在中頻帶數(shù)據(jù)誤差范圍小于2%.

圖9是輸入信號為1 kHz、65 mV時的測量結果，其中圖9（a）為示波器顯示波形，圖9（b）為LCD顯示放大器性能指標，示波器顯示放大后的正弦波形穩(wěn)定，放大器顯示的峰峰值為9.19 V， 有效值為3.25 V，經(jīng)計算電壓增益為143.

表1 測試結果

4 結論

本文設計的基于AVR的低噪聲放大器，可實現(xiàn)對20 Hz到3 MHz的微弱毫伏級信號的采集測量及顯示，并對頻帶外信號具有很好的抑制作用.實驗結果表明，設計的放大器電壓增益大于40 dB，帶內(nèi)波動較小，通頻帶內(nèi)LCD數(shù)字顯示電壓的峰峰值與有效值穩(wěn)定、可靠.在固定的頻率點上輸入不同的電壓，放大器輸出最大不失真峰峰值大于10 V.特別是在中頻帶數(shù)據(jù)誤差范圍小于2%，系統(tǒng)具有較高的實用價值.

[1]BEVILACQUA A， NIKNEJAD A M. An ultrawideband CMOS low_noise amplifier for 3.1～10.6 GHz wireless receivers[J]. Journal of Solid_State Circuits， 2004， 39(12)：2 259-2 268.

[2]肖奔，鄧愛萍.一種0.8 GHz～6 GHz CMOS 超寬帶低噪聲放大器設計[J]. 電子技術應用， 2008，34(12)：57-60.

[3]張福洪，羅晚會.無線接收機中低噪聲放大器的設計與仿真[J]. 電子器件，2011，34 (1)：44-48.

[4]劉久文.RF低噪聲放大器的仿真設計方法[J]. 北京航空航天大學學報，2000， 26(3)：259-262.

[5]池保勇，余志平，石秉學.CMOS射頻集成電路分析與設計[M]. 北京：清華大學出版社， 2006.

[6]張軍，宋濤.AVR單片機C語言程序設計實例精粹[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2009.

Design of Low Noise Amplifier Based on AVR Single-chip Microcomputer

DING Jin-lin

(Department of Electronic Information Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

A new design of 3 MHz high performance low noise amplifier (LNA) was proposed in this paper.Voltage feedback amplifier OPA820 which has gain stabilization and input low noise is used as preamplifier，second-order low pass filter is adopted to attenuate signal over 3 MHz，and magnify signal through power amplifier. In order to test LNA performance，after power signal isolation and true RMS-to-DC conversion，microcomputer gathers and process data，finally display RMS and peak-to-peak value by liquid crystal display.According to test data，designed LNA has fine performance，voltage gain is no less than 40 dB，and maximum undistorted output peak-to-peak voltage is higher than 10 V. It has strong practicability.

low noise amplifier；noise figure；AVR single-chip microcomputer

TN722.3

A

1008-5475(2012)03-0009-04

2012-02-11;

2012-03-28

蘇州市職業(yè)大學創(chuàng)新基金資助項目(2011SZDCC01)

丁金林(1978-)，女，江蘇泰興人，講師，主要從事自動化控制研究.

(責任編輯： 沈鳳英)