李增益可控射頻放大器設(shè)計(jì)報(bào)告

1、增益可控射頻放大器（D題）【參賽隊(duì)編號(hào)】 11增益可控射頻放大器（D題）摘要: 本作品以壓控增益放大器VCA821為核心，外加運(yùn)放OPA847、THS3091配合，放大器的電壓增益從12dB到40dB以4dB為步長(zhǎng)設(shè)定，控制誤差不大于2dB實(shí)現(xiàn)了輸出振幅可調(diào)的增益可控放大器。系統(tǒng)主要由四個(gè)模塊組成：前置放大電路、中間級(jí)程控放大電路、后級(jí)放大電路和電源模塊。在前級(jí)放大模塊中，用電壓反饋型放大器OPA847進(jìn)行固定增益放大，同時(shí)進(jìn)行阻抗匹配和噪聲抑制；中間級(jí)采用VCA821進(jìn)行程控增益控制，以實(shí)現(xiàn)高增益、寬帶寬和增益可變的平衡；后級(jí)利用反饋型放大器THS3091進(jìn)行放大；電源模塊完成對(duì)各級(jí)電路的供

2、電。經(jīng)檢驗(yàn)，本方案完成了全部基本功能和部分拓展功能。 關(guān)鍵詞：射頻放大器 增益可控 VCA821 OPA847 THS30911 設(shè)計(jì)目標(biāo)（ 1）放大器的電壓增益 Av40dB，輸入電壓有效值 Vi20mV， 其輸入阻抗、 輸出阻抗均為 50W， 負(fù)載電阻 50W，且輸出電壓有效值 Vo2V，波形 無(wú)明顯失真； （ 2） 在 75MHz108MHz 頻率范圍內(nèi)增益波動(dòng)不大于 2dB； （ 3） 3dB 的通頻帶不窄于 60MHz130MHz， 即 fL60MHz、 fH130MHz； （ 4）實(shí)現(xiàn) AV 增益步進(jìn)控制，增益控制范圍為 12dB40dB， 增益控制步長(zhǎng)為 4dB，增益絕對(duì)誤差不大

3、于2dB，并能顯示設(shè)定的增益值。2系統(tǒng)論證與比較2.1系統(tǒng)基本方案本系統(tǒng)主要由前級(jí)放大模塊模塊、中間級(jí)程控放大模塊、后級(jí)放大模塊、電源模塊組成，實(shí)現(xiàn)了增益可控的射頻放大，系統(tǒng)框圖如圖一所示。 信號(hào)輸出后級(jí)放大程控放大信號(hào)輸入前級(jí)放大 DA轉(zhuǎn)換 電源供電液晶顯示STM32按鍵 圖一 系統(tǒng)總體框圖（2）前級(jí)放大模塊的論證與選擇方案一：采用TI公司提供的OPA820ID芯片，采用反相輸入比例運(yùn)算放大電路，提高放大倍數(shù)。方案二：采用OPA847芯片，具有超低輸入電壓電流噪聲，超高增益帶寬積，能夠有效的抑制噪聲，在放大10倍的情況下，具有3.9GHZ的增益帶寬積。 綜合比較，由于方案一設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但容易產(chǎn)

4、生自激振蕩，電路穩(wěn)定性差。而OPA847具有0.85nv/Hz噪聲電壓，同時(shí)具有3.9GHZ的增益帶寬積，適合高倍數(shù)的放大，更適合題目要求，故選擇方案二。（3）中間級(jí)程控放大模塊的論證與選擇方案一： 固定增益與電阻網(wǎng)絡(luò)衰減。通過(guò)前級(jí)放大電路進(jìn)行固定增益放大，后 級(jí)由電阻網(wǎng)絡(luò)衰減，如電位器，實(shí)現(xiàn) 040dB 范圍內(nèi)增益可調(diào)。方案二：為了易于實(shí)現(xiàn)增益范圍052dB的調(diào)節(jié)，可以采用高速乘法器型D/A實(shí)現(xiàn)，比如AD7420。利用D/A 轉(zhuǎn)換器的VRef 作信號(hào)的輸入端，D/A 的輸出端做輸出。用D/A 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸入端控制傳輸衰減實(shí)現(xiàn)增益控制。方案三：使用寬帶程控集成放大器，利用VCA821進(jìn)行程

5、控放大，VCA821在增益為10dB時(shí)帶寬可達(dá)到710MHz,控制電壓在0V2V。 方案一中由于大量分立元件的引入，使得電路復(fù)雜且穩(wěn)定性差。方案二雖然簡(jiǎn)單易行，精確度高，但查閱相關(guān)資料可知：轉(zhuǎn)化非線性誤差大，帶寬只有幾kHz，而且當(dāng)信號(hào)頻率較高時(shí)，系統(tǒng)容易發(fā)生自激，因此未選此方案，方案三在增大可調(diào)范圍的同時(shí)，為了保證中間級(jí)有足夠大的帶寬，穩(wěn)定性好。綜合以上三種方案，故選擇方案三。（4）后級(jí)放大模塊的論證與選擇方案一：利用電流反饋放大電路THS3901作為后級(jí)放大帶動(dòng)負(fù)載，THS3901為電流反饋放大電路，沒(méi)有嚴(yán)格的帶寬增益積適合高頻設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓大。 方案二：選用電流反饋型放大器OPA

6、693作為后級(jí)放大器，是目前最快的正負(fù)5V固定增益放大器，高達(dá)700MHz的帶寬。綜合考慮上述兩種方案，都能滿足帶寬要求，但因單電源供電電路較為簡(jiǎn)單，減小放大倍數(shù)可以提高輸出電壓的品質(zhì)，減小噪聲，故采用方案一。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及相關(guān)分析計(jì)算2.1 增益帶寬積的分析 帶寬和增益存在一定關(guān)系：直流到由反饋回路決定得主極點(diǎn)之間，帶寬增益積恒定，在該頻率以上，如果頻率升高一倍增益就會(huì)降低一半，運(yùn)算放大器的3db寬頻率就是Fc放大器帶寬增益積BW*Au=C常數(shù)，所以設(shè)計(jì)電路時(shí)進(jìn)行折衷選擇。題目要求通頻帶范圍為20HZ-5MHZ,增益大于等于40dB，即Gain>=100V, 故考慮多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)。

7、假設(shè)放大電路的高頻響應(yīng)用下面單極點(diǎn)函數(shù)表示：（1） 帶寬增益積（GBP）是衡量放大器性能的一個(gè)重要參數(shù)。電壓反饋型運(yùn)放 A()=/(1+/); (2-1) 式中為放大器的中頻增益，w為角頻率，為上限角頻率，當(dāng)引入正反饋并假設(shè)反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)與頻率無(wú)關(guān)的實(shí)數(shù)B時(shí)，則有： ()=A()/1+BA(); (2-2)將式（2-1）代入式（2-2）中得 = (2-3) 由此，反饋中頻增益為Am=Am/(1+AmB),上限角頻率為W hf=Wh(1+AmB)這說(shuō)明引入負(fù)反饋后，放大電路的上限頻率擴(kuò)展了擴(kuò)展程度與反饋深度F有關(guān)。對(duì)本系統(tǒng)直流放大器，放大器下限角頻率為零赫茲，所以無(wú)饋時(shí)放大器通頻帶為BW=接

8、入正反饋后，放大器通頻帶為 B=(1+B) B (2-4)式（24）表明：引入負(fù)反饋后放大器通頻帶擴(kuò)展到無(wú)反饋時(shí)的（1+AmB）倍。而且?guī)捲鲆娣e為一常數(shù)。改善系統(tǒng)幅頻特性不僅考慮帶寬增益積就足夠，還有其他因素的考慮，如運(yùn)放的擺率，驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力小信號(hào)的放大后輸出信號(hào)的質(zhì)量等。3電路與程序設(shè)計(jì)3.1前級(jí)放大電路第一級(jí)的作用主要是進(jìn)行阻抗匹配和噪聲抑制，所以信號(hào)輸入端加了50電阻接地進(jìn)行匹配，并且使用屏蔽線連接信號(hào)源，從而達(dá)到阻抗匹配和抑制噪聲的作用。而電路本身又必須具有高信噪比，并盡量減少噪聲的帶入，尤其是電源方面，除了采用在總電源入口端用大電容進(jìn)行濾波之外，還可以在芯片的電源入口處加10UF

9、的電容進(jìn)行濾波。并且PCB布局和布線時(shí)，信號(hào)源盡量遠(yuǎn)離電源地。圖二為OPA847的前級(jí)放大電路圖：圖二 OPA847的前級(jí)放大電路圖3.2中間級(jí)程控放大電路 中間級(jí)采用兩級(jí)串聯(lián)的VCA821，它在放大20 dB 時(shí)的帶寬仍可以達(dá)到320 MHz，滿足題目要求，其有多種配置方式，不同的配置方式隨著最大增益的提高，帶寬會(huì)下降，綜合考慮題目的要求和需要，本設(shè)計(jì)將其配置成最大增益20dB的模式，從而使其帶寬達(dá)到260MHZ以上，增益在0-52dB之間可調(diào)。圖三為VCA821 程控電路圖。 圖三 VCA824程控電路圖3.3后級(jí)放大電路 后級(jí)采用THS3091，提供了一個(gè)易于使用的寬帶，固定增益緩沖放大

10、器，電路帶寬受增益影響較小，可以在放大的同時(shí)滿足帶寬要求，其帶寬主要受反饋電阻的影響，考慮到電路的噪聲和及供電，我們采用正負(fù)5V對(duì)其供電，使THS3091的通頻帶較高。圖五為THS3091的后級(jí)放大電路： 圖四 OPA693的后級(jí)放大電路3.4電源電路設(shè)計(jì) 穩(wěn)壓電源采用通過(guò)變壓器、7812芯片7805芯片，將220V轉(zhuǎn)化為正12V和正負(fù)5V直流電源，給各級(jí)電路供電。3.5軟件流程圖及程序開(kāi)始系統(tǒng)初始化 按鍵掃描AD轉(zhuǎn)換液晶顯示結(jié)束4電路測(cè)試與調(diào)試結(jié)果4.1硬件軟件聯(lián)調(diào)全部連加起來(lái)后，通過(guò)按鍵來(lái)控制步進(jìn)增益，同時(shí)連接示波器以及信號(hào)發(fā)生器，觀察顯示波形及幅值。4.2 測(cè)試條件與儀器測(cè)試使用的儀器設(shè)

11、備如表1所示。表1 測(cè)試使用的儀器設(shè)備序號(hào)名稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量備注1DF1731SL1ATA型直流穩(wěn)壓電源1無(wú)2SDS 1202DL數(shù)字存儲(chǔ)示波器1300MHz3F120型函數(shù)發(fā)生器1無(wú)4UNI-TUT805A數(shù)字萬(wàn)用表1無(wú)4.3 測(cè)試結(jié)果及分析測(cè)試結(jié)果（數(shù)據(jù)）如表2-表9所示：（1）基本要求 表2 輸出電壓增益值輸入電壓有效值輸出電壓有效值電壓增益 表3 增益波動(dòng)值輸入頻率波動(dòng)值 表4 -3dB的通頻帶寬通頻帶寬表5 增益步進(jìn)控制增益步長(zhǎng)絕對(duì)誤差(2)發(fā)揮部分 表6 輸出電壓增益值輸入電壓有效值輸出電壓有效值電壓增益 表7 增益波動(dòng)值輸入頻率波動(dòng)值表8 -3dB的通頻帶寬通頻帶寬表9 電壓增益輸入電壓增益輸出電壓增益4.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能整機(jī)測(cè)試指標(biāo)完全達(dá)到題目要求，具體見(jiàn)表10。因受競(jìng)賽場(chǎng)地、實(shí)際環(huán)境等條件影響，各參數(shù)測(cè)試會(huì)因外界影響而略有誤差。表10系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能 功能實(shí)現(xiàn)情況實(shí)際性能  基本要求發(fā)揮部分其它  參考文獻(xiàn)1全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì). 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編（19941995） 2全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì). 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編（2001）M.3張毅坤、陳善久、裘雪紅編著. 單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用.