省賽 射頻寬帶放大器報告 最終報告

1、射頻寬帶放大器【本科組】摘 要：本設(shè)計以低功耗單片機ATmega128為控制核心，采用高寬帶低噪聲集成運放芯片THS3202和可控增益放大器AD603相結(jié)合的方式，制作了一個電壓增益可調(diào)的射頻寬帶放大器。整個系統(tǒng)通過繼電器在各衰減網(wǎng)絡(luò)間進行切換，并對直流漂移進行調(diào)零處理，較好地實現(xiàn)了電壓增益060 dB可調(diào)，輸出信號波形無明顯失真，且各項指標均達到或超過基礎(chǔ)和發(fā)揮部分要求，具有頻帶寬、噪聲低、增益高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：ATmega128 射頻 寬帶運放 可調(diào)增益 一、引言射頻寬帶放大器在射頻通信中具有重要作用，它廣泛應(yīng)用于視頻放大、信號發(fā)射等電路，對其研究與設(shè)計是具有現(xiàn)實的意義與作用。1

2、.設(shè)計要求（1）系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分要求：輸入電壓有效值為Vi10 mV，輸入與輸出阻抗等于50 ，電壓增益Av20 dB，且在020 dB可調(diào)；最大輸出電壓有效值Vo200 mV。系統(tǒng)的通頻帶為0.3 MHz10 MHz，在1 MHz15 MHz的通頻帶內(nèi)，電壓增益起伏1 dB。（2）系統(tǒng)的發(fā)揮部分要求：輸入電壓有效值為Vi1 mV，電壓增益Av60 dB，且在060 dB可調(diào)；最大輸出電壓有效值Vo1 V。系統(tǒng)的通頻帶為 0.3 MHz100 MHz，在1 MHz80 MHz的通頻帶內(nèi)，電壓增益起伏1 dB。系統(tǒng)在增益為60 dB時，輸出噪聲電壓的峰峰值要100 mV。2.設(shè)計思路根據(jù)題目要求，

3、放大器達到帶寬0.3 MHz100 MHz，電壓增益060 dB可調(diào)，關(guān)鍵在于抑制零點漂移和通頻帶的擴展，因此放大器需采用多級交流耦合連接方式來實現(xiàn)。 二、系統(tǒng)設(shè)計與方案論證1.系統(tǒng)總體方案射頻寬帶放大器主要由固定增益放大、可控增益放大、衰減網(wǎng)絡(luò)、通頻帶選擇等電路組成。輸入信號經(jīng)50 輸入阻抗匹配后，通過固定增益放大、可控增益放大以及衰減網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)增益060 dB可調(diào)，再經(jīng)通頻帶選擇實現(xiàn)在0.3 MHz20 MHz和0.3 MHz100 MHz頻帶間切換，最后經(jīng)50 負載輸出無明顯失真的正弦波信號。整個系統(tǒng)采用低功耗單片機ATmega128控制電壓增益和通頻帶選擇，自制線性穩(wěn)壓電源?？傮w設(shè)計框圖

4、如圖1所示：圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖2.系統(tǒng)方案論證（1）通頻帶選擇方案論證根據(jù)題意，為實現(xiàn)放大器頻帶在0.3 MHz20 MHz和0.3 MHz100 MHz間可切換，需要選擇濾波電路來實現(xiàn)，以下有兩種方案可以實現(xiàn)：方案一：采用有源濾波電路。主要由集成運放和R、C組成，集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構(gòu)成有源濾波電路后具有一定的電壓放大和緩沖作用。但集成運放帶寬有限，目前的有源濾波電路的工作頻率難以做得很高，故難以實現(xiàn)題目100 MHz帶寬要求。方案二：采用無源帶通濾波電路。主要由無源元件R、L和C組成，以對某次諧波或其以上次諧波形成低阻抗通路，達到抑制高次諧波的作用；由于

5、靜止無功補償器SVC（Static Var Compensator）的調(diào)節(jié)范圍要由感性區(qū)擴大到容性區(qū)，所以濾波器與動態(tài)控制的電抗器一起并聯(lián)可滿足無功補償、改善功率因數(shù)、消除高次諧波等問題。綜合考慮，方案一無法實現(xiàn)題目發(fā)揮部分頻帶100 MHz的要求，且方案二電路設(shè)計簡單，成本較低，電路高頻特性好，故選用方案二，無源帶通濾波電路。 （2）固定增益放大電路方案選擇本作品中，固定增益放大電路需滿足增益大于30 dB，系統(tǒng)各項指標才能夠達到題目要求，為此，設(shè)計以下兩種方案：方案一：采用分立元件搭建固定增益放大電路。使用NPN型三極管2SC3355組成的共基極放大電路，僅有電壓放大作用，高頻特性好，可用

6、于高頻或?qū)掝l帶低輸入阻抗的場合，但電路調(diào)試較為復(fù)雜，穩(wěn)定性較低。方案二：采用集成芯片THS3202，該芯片為電流反饋型，具有高帶寬、低噪聲等特點，且電路設(shè)計簡單，精度較高，能夠很好的實現(xiàn)題目要求。綜上所述，考慮電路的難易程度以及低噪聲、高帶寬等要求選用方案二。三、理論分析與參數(shù)計算1.增益帶寬積按照題目要求，信號通頻帶為0.3 kHz100 MHz，最大增益Av60 dB，則增益帶寬積為，系統(tǒng)選用THS3202芯片的增益帶寬積為2G，采用分級放大的方式使放大器整體增益超過60 dB，2.抑制直流零點漂移本系統(tǒng)放大部分主要由固定增益電路、可控增益電路組成，由于系統(tǒng)為射頻寬帶放大器，所以各級之間采

7、用電容耦合方式，另外，實際設(shè)計電路時，輸出漂移較為明顯，可采用放大電路反向級聯(lián)輸入，有效的抑制了零漂。3.射頻放大器的穩(wěn)定性設(shè)計電路中多級高增益放大器一般會產(chǎn)生自激，故系統(tǒng)在設(shè)計時，除了采用負反饋電路保證穩(wěn)定性之外，模塊電路間還使用了同軸電纜，并且采用屏蔽盒對系統(tǒng)進行多點屏蔽。實驗證明，有效地增加了放大器的穩(wěn)定性。4.通頻帶內(nèi)增益起伏控制本設(shè)計使用的可控增益芯片AD603的增益誤差在90 MHz的通帶內(nèi)小于±0.5 dB，THS3202在100 MHz以下的起伏小于0.1 dB,當(dāng)增益為30 dB時，100 MHz通頻帶內(nèi)增益起伏小于0.1 dB,且THS3020具300 MHz帶寬

8、的0.1 dB增益平坦度，均滿足題目指標要求。5.增益分配及調(diào)整本系統(tǒng)要求最大增益60dB，固定增益設(shè)計為30 dB時，結(jié)合可控增益電路實現(xiàn)系統(tǒng)增益手動連續(xù)可調(diào)?？煽卦鲆娣糯笃鞑捎肁D603為核心，選取通頻帶為90 MHz，增益為-10+30 dB的典型接法（見附錄1），實現(xiàn)2060 dB可調(diào)，再利用一組衰減網(wǎng)絡(luò)將增益衰減30dB，實現(xiàn)系統(tǒng)在060 dB間可調(diào)。四、系統(tǒng)電路與程序設(shè)計1.固定增益放大電路本系統(tǒng)的固定增益放大電路部分的增益設(shè)置為30dB，電路圖如圖2所示，前級采用電壓跟隨器，具有緩沖、隔離功能，其同相輸入端接50電阻至地，使輸入電阻滿足題目50 要求?？紤]到本系統(tǒng)通頻帶為0.3

9、MHz100 MHz，輸出噪聲電壓峰峰值UoNpp小于100 mV，運算放大器選用低噪聲高增益帶寬積的雙運放芯片THS3202，其增益帶寬積為2 GHz，為保證帶寬，故單級電路的放大倍數(shù)不能設(shè)置很高，故采用多級交流耦合放大電路來實現(xiàn)。圖2 固定增益放大電路增益帶寬積：采用THS3202芯片，其開環(huán)增益帶寬積為2 GHz，為滿足系統(tǒng)最大通頻帶為100 MHz的要求，由THS3202構(gòu)成的單級閉環(huán)放大器的最大增益不能大于。由大信號頻率響應(yīng)圖（見附錄2）可知，當(dāng)單級閉環(huán)增益10 dB時，通頻帶為200 MHz，滿足通頻帶帶寬的設(shè)計要求。2.通頻帶選擇電路的設(shè)計通過對繼電器LS1和LS2觸點的控制實現(xiàn)

10、了系統(tǒng)通頻帶1 MHz15 MHz和1 MHz80 MHz兩個范圍預(yù)置且電壓增益起伏小于1 dB，如圖3所示。系統(tǒng)默認選擇0.3 MHz20 MHz通頻帶。通過鍵盤選擇通頻帶，當(dāng)單片機分別向三極管Q2和Q3的基極送高電平時，繼電器的觸點動作，使輸入信號V2經(jīng)100 MHz的低通濾波器輸出，即實現(xiàn)了預(yù)置0.3 MHz100 MHz的通頻帶。圖3 通頻帶選擇網(wǎng)絡(luò) 圖4 系統(tǒng)主流程圖3.輔助電路設(shè)計電源電路：利用三端穩(wěn)壓器LM7815、LM7915、LM7805和LM7905自制電源可提供±5V、±15V的電壓，滿足各模塊電路及單片機的供電。鍵盤電路：本設(shè)計采用4*4矩陣鍵盤電路

11、，主要實現(xiàn)預(yù)置增益、5 dB增益步進、通頻帶選擇以及增益調(diào)節(jié)方式選擇等功能。顯示電路：本系統(tǒng)使用彩屏顯示電路實現(xiàn)帶寬、增益和增益調(diào)節(jié)方式的顯示，彩屏的驅(qū)動電路在模塊內(nèi)已有集成，且外圍電路設(shè)計非常簡單，占用較少的單片機I/O口。4.系統(tǒng)程序設(shè)計本作品采用ICCV7 for AVR軟件為開發(fā)平臺，C語言為程序設(shè)計語言，主函數(shù)流程圖如圖4所示。主函數(shù)循環(huán)中，系統(tǒng)初始化后掃描鍵盤，判斷是否有鍵按下，根據(jù)鍵盤指令調(diào)節(jié)增益和選擇通頻帶，最后由彩屏顯示，并返回再循環(huán)。五、系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析1.測試條件與測試儀器系統(tǒng)測試需在室溫且無強磁場干擾條件下進行，測試儀器設(shè)備如表1所示。表1 測試使用的儀器設(shè)備序號名稱

12、、型號、規(guī)格數(shù)量備注1數(shù)字示波器1LeCroy2函數(shù)信號發(fā)生器 EE164281南京新聯(lián)電子設(shè)備有限公司3LY1211 頻率特性測試儀1徐州龍宇電子儀器有限公司4數(shù)字萬用表 UT58E1UNI-T2.測試方法與結(jié)果（1）輸入阻抗電路測試。所示放大電路的輸入電阻為Ri，R為已知阻值的外接電阻，用毫伏表測出Vi和Vs，則有調(diào)整測試電壓Vs使輸出電壓Vi=10 V,改變R的阻值，取多次測量的平均值。 表2 輸入電阻測試表次數(shù)R/Vi/mVVs/mVRi/誤差%19819.758.849.40.8%29819.358.448.43.2%39819.958.650.40.8%結(jié)論：由上表的測試結(jié)果得，輸

13、入電阻為49.4 ，基本滿足輸入阻抗50 的要求。（見附錄4（圖1）（2）輸出阻抗電路測試。放大器輸出電阻為Ro，RL為負載電阻，分別測出負載開路時的輸出電壓和帶上負載時輸出電壓，則有 , 開關(guān)S斷開測量空載電壓，開關(guān)閉合測量輸出電壓，改變RL的阻值，取多次測量的平均值。（見附錄4（圖2）表3 輸出電阻測試表次數(shù)R/V/VRL/誤差73.4%25041220351.53.0%35040820947.64.8%結(jié)論：由上表的測試結(jié)果得，輸出電阻為50.27，滿足輸出阻抗50 的要求。（3）最大輸出正弦波電壓有效值測試。輸入端Ui加入頻率為5 MHz的正弦波，在輸入電壓有

14、效值為20 mV，測得輸出最大不失真正弦波電壓有效值Uo= 400 mV。（見附錄4（圖3）（4）增益調(diào)節(jié)測試。通過手動連續(xù)調(diào)節(jié)電壓增益，在輸入信號40 MHz的條件下，完全達到020 dB調(diào)節(jié)的要求。（5）輸出噪聲測試。增益調(diào)至60 dB檔，輸入端短路，測得輸出電壓峰-峰值在89mV99mV間波動，滿足發(fā)揮部分要求VoNpp100 mV。（6）頻率特性測試。因高頻信號源不能保證在不同的頻段內(nèi)有相同的有效值，故在每次測試前，必須調(diào)節(jié)信號源有效值，使其穩(wěn)定在20 mV，再測量輸出信號的幅值，由公式得實際電壓增益，測試結(jié)果如表4所示。表4 頻率特性測試表頻率/kHz300500700900輸出/m

15、V（有效值）137.5147.9158.3184.9增益/dB16.717.319.719.3頻率/MHz151520輸出/mV（有效值）178.2205.2215.8140.7增益/dB19.020.220.716.9結(jié)論：由上表測試結(jié)果得，當(dāng)輸入信號頻率為300 kHz 1 MHz時，系統(tǒng)增益有起伏；當(dāng)輸入信號的頻率為 1 MHz15 MHz時，電壓增益起伏小于1 dB；當(dāng)輸入信號的頻率大于20 MHz時，增益有所下降，但滿足題目基本要求。（見附錄4（圖4）六、結(jié)論本系統(tǒng)以ATmega128為控制核心，基本達到題目要求，實現(xiàn)電壓增益60dB,且在060dB范圍內(nèi)可調(diào)，當(dāng)電壓增益60dB時，輸出噪聲電壓的峰峰值0.1V，輸入輸出阻抗在50左右，阻值誤差5%，系統(tǒng)的3 dB通頻帶在115MHz和180MHz之間變換內(nèi)電壓增益起伏1 dB，最大輸出正弦波有效值1 V等要求。不足之處在于未能實