原创【博客大赛】TI杯电子设计大赛后记之一

 2018-8-24 21:11  10050 21 1 分类: 模拟

       两年的大学电子专业的学习，让我对模拟技术有了很强烈的兴趣，正好大二这年赶上TI杯电子设计竞赛省赛，从学期中的校赛开始，电设就成为了生活学习的一个重要主题。经过了一个星期的校赛，又经过了两周的省赛培训和四天三夜的省赛，我在模拟方面的认知又增加了不少。

       校赛的时候是做一个放大器下限截止频率不高于 10Hz，上限截止频率不小于 5MHz ，放大倍数>=40dB且连续可调的放大器，并且要求通频带外带外衰减速度>=40dB/dec，带50ohm的负载。

       乍一看刚开始觉得这个题也没什么，当时看了一些电赛的设计报告，手里也申了几款高频运放，感觉大概就是三级放大，方案大家都差不多，就是OPA847,VCA810,THS3091之类的。当时第一天发下题就开始做，先定方案，后来又去电子商城买东西，电源模块在校赛之前就已经准备好了，用的LT3080和LT3015做的大功率电源（其实也就1A多的电流），用LT1962和ADP7182做的小功率低噪声电源，分立供电，既满足后端驱动能力要求，又减小串扰，降低电源噪声的影响。接着就开始仿真，仿真的时候就出现了第一个问题，发现VCA810的输出波形的峰峰值达不到手册给的数值，幅度甚至不到1v就失真了，后来看了好久，发现手册写的是当Vc电压为-2V，也就是放大倍数最大的时候最大摆幅才能达到最大值。当时觉得好坑啊，但其实还是看手册太不仔细了。接着开始在洞洞板上面焊接，要说VCA810这个芯片用起来确实感觉不太方便，压控增益的脚还是负压输入，因为手头没有能输出负电压的DA，就又用了OPA运放来把电压反向。电路走线方面当时我们还非常没有经验，现在看来当时的走线好多都是图省事，地线，去耦等做得都很不好，而且在洞洞板上焊也真是麻烦还容易出错，我的组员负责焊接，第一块810焊出来怎么都不出波形（用面包板搭出来都有波形！！），这个问题一拖就是两天，转眼就到第三天了，当时还一个模块都出不来，对面一个组，实力很强劲，进度比我们快很多，当时心里那个万念俱灰，那个心急如焚。直到第三天，事情突然出现转机，组员重新焊了一块810的板子（因为心情急躁，这中间还发生了不少不和谐的小插曲），学长又拿出来一个SMA转BNC的线给我们用，（之前我们只知道用SMA和同轴电缆做级联），瞬间让测量变得可靠了很多，终于第一块模块VCA810出来了！！！

       然后也是在同一天，OPA847也焊出来了，第一块是洞洞板，后来院里的老师拿来了几块往年剩下的4层板，就索性直接用了空投板。但是在测试的时候发现一个很奇怪的问题，用示波器探头和SMA转BNC的线在频率上M之后测出来显示的波形幅度竟然不一样，甚至幅度差别很大，几乎是2倍，我们以为探头测的一定是准的（因为觉得它有内部的补偿），所以就放弃了SMA转BNC，然后一直用探头测量，又发现高频的时候信号源出来的波形幅度也比设置的小，频率越高越小。当时我们还以为信号源性能太差导致的（现在想想真的好愚钝），就一直测输入测输出来计算放大倍数（真的好麻烦，直到后来培训的时候才知道用探头测量是不对的，会有衰减，就是应该用同轴电缆来测量才可以，尤其是频率再高的情况下）。

接着是THS3091，这个芯片是真的让人崩溃，它有带散热焊盘的封装，可是一是我们用的洞洞板加转接板，散热盘丝毫不能发挥效果，其次我们第一次申请的时候也没有想到这个芯片会这么热，就没有申请带散热盘的。这个芯片是怎么样的呢。电流反馈型，优点带宽宽，输出电流相对大一些，压摆也很大，但是（划重点）首先它电压加高了之后就会发热（最大可以加到+-15）即便是不带载的时候！！！其次是电流反馈型的总是很难把握，有时候就不太稳定（后来才知道电压反馈型运放可以通过加反馈电容来提高稳定性，但是电流反馈型运放是不可以的！！！反而会产生自激），又是洞洞板操作，那个寄生参数真的是（当然大神驾驭这种洞洞板上M还是轻轻松松的）。。。而且由于有输出幅度和负载要求，一片3091的输出电流不太能满足要求，可是我们有没有别的芯片可以替代（对面组用了一个BUF），我就把3091并联起来。刚开始用的手册直接并联的方法（加了100ohm的平衡电阻），结果。。单独测都是10倍放大，并起来发现只有2倍了。。。于是又换了一种前级放大后级跟随的并联扩流模式，这次放大倍数是正常了，但是其实还是有一些奇怪的现象，现在还不清楚是不是这种并联方式由于两个3091的信号有先后的延迟导致的问题（比如频率高了之后信号严重失真，类似信号完整性问题）。

然后还需要一个测量幅度的模块，手上有AD637和AD8361，刚开始感觉AD637上M有些吃力，所以用了AD8361，结果半天都搞不定（让我对RF芯片产生很大阴影），因为直接测量的电压幅度远远超过它的可以输入的电压幅度，需要分压，问题就出在这个分压上了，当时发现就是幅度很小（用的Kohm电阻分压），怎么都不知道是为什么，又试图通过用运放搭建比例器来分压，结果上电就过载？！没办法最后换了AD637（还受到了对面大佬组的帮助，用了现成的，他们找到了调节的方法）。后来想起来AD8361的输入电阻很小，和运放不一样，所以分压之后再以并联，分的的电压及很小，用运放的话就是负载太小导致电流大了。。

最闹心的就是带外衰减还要求截止频率可调！！至今我还不知道这个的理想方案是什么，要求3M以上截止频率，还可调？？当时在ADI上找滤波器，截止频率这么高的都是不可调的，截止点可调的都没这么高，然后当时看到VCA810的手册有个这个图（上边），然后我就灵机一动做了下边这个图，满足了2阶的要求，

当时感觉很妙啊，仿真很完美，结果这个电路，焊了3天两块板子都没有焊出来，疯狂自激（现在看来可能还有原因是OPA847单位增益不稳定，当时居然没有注意这点！！），还烧坏了两个芯片，最后验收前一天晚上，没有办法改用无源滤波器用继电器切换，当时找到一份报告上有一个hourglass滤波器（挠头），截止频率10M和5M，就直接抄了下来，但是最致命的是这个滤波器通带1/2衰减，但是觉得没什么，后来是真的后悔。

最后验收是周日，这一周基本上课的时候都在睡觉，有的就直接翘掉了，因为每天晚上都很晚，真的困啊。从周五到最后验收完就没有回过宿舍，周五晚上在实验室睡了一会，周六晚上基本没合眼。但是我们依旧还是直到周六晚上才进行级联（没错真的是周六晚上才开始级联），结果级联之后什么问题都出来了。。不知道在哪一级就提前出现削顶了，最后输出峰峰值好像才4v多（尤其是那个1/2衰减的滤波器更是“锦上添花”）。当时还不理解阻抗匹配的意义，于是每一级都加了阻抗匹配，导致增益就更小了，可能也更容易削顶了（现在看来那个频率根本没有必要加那个50ohm，而且洞洞板焊接又没有微带线的效果哪来的特征阻抗。。。）。最可怕的是最后3091，之前试的时候一直加的5V电压，最后因为输出幅度要求加了+-12v，芯片巨热，而且过一会波形就乱了（我现在依旧不知道为什么，怀疑芯片已经烧坏了，按道理应该供电越高性能越好啊）。当时没经验，加了个小散热片，很小的那种，后来做的多了才知道就应该能加多大加多大，再用小风扇吹着。然后当时还尝试用LT1210来扩流，结果不知道为什么波形很差，当时那种两天没睡觉的状态和下午就要验收的心态已经决定了不可能再理性的分析思考了。最后没有办法，把3091的供电电压降到+-7v，才保证了不会出现波形乱掉的问题，芯片也不会特别烫，但是输出幅度肯定是达不到要求的了。最后还要交个报告，需要填数据，当时哪里还有时间测啊，脑子已经乱掉了，而且写单片机的同学还要找到810压控的电压和整体增益的那个关系（因为要求增益可控，而且还要固定步进），当时就是胡乱测一通（包括用示波器探头测有衰减，所以输入输出都要测也带来了很大的难度和不必要的麻烦，可是当时不知道啊）。这里真的是要表扬一下我们组写单片机的同学，稳！而且时刻都感觉精力很好。后来也是，任务交给这位同学就很放心，他总能把程序成功跑出来的！当时他费劲心思把那个关系找出来，但其实也只是找了个大概，因为测量的数据的精度和数量根本不足以找到一个比较精确的关系，还是后来老师验收的时候也没有怎么仔细算，而且老师也认识那个同学，感觉也是网开一面。最后的最后，就是总算验收完了，老师当时还告诉我们准备暑假培训，意思就是可以过了，但其实当时真的是觉得做的挺差的，上午那会整个人真的已经有点绝望了。

最后从实验室收了好几箱东西回宿舍，走在路上好几次把眼睛都闭上了，又猛的一下醒过来，回去收拾完本来想做点别的，觉得好困就上床躺了一会，结果再醒过来居然已经是第二天早上九点了。后面那一周，基本也没有一节课是清醒的。

接下来再写一写之后培训和省赛的事情，还有暑假在家做D类功放的经历，写这篇博客时间这么久，该去干点正事了。

【博客大赛】TI杯电子设计大赛后记之二