(2013全國一等獎)射頻寬帶放大器..

1、2013 年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽2013 年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽論文【本科組】射頻寬帶放大器系統(tǒng)設(shè)計報告2013年9月7日2射頻寬帶放大器摘要：本系統(tǒng)基于壓控對數(shù)放大器設(shè)計，由前級放大模塊，增益控制模塊，（帶寬預(yù)置），后級功率放大模塊，鍵盤及顯示模塊組成。具有射頻寬帶數(shù)字程控功 能。在前級放大中，用電壓反饋型放大器OPA657,OPA269爭口寬帶壓控放大器VCA820放大輸入信號，輸出放大一定倍數(shù)的電壓，經(jīng)后級OPA2694勺放大電路達(dá)到大于1V的有效值輸出，其中電流反饋型放大器OPA657的輸入偏置電流比較 小，對后級電路的調(diào)理起到簡化作用，VCA820的使用方便了增益控制，可以手動和

2、程控。經(jīng)驗證，本方案完成了全部基本功能和擴展功能。關(guān)鍵詞：壓控對數(shù)放大器電壓反饋放大器射頻寬帶放大一、系統(tǒng)方案論證1.可控增益放大器的方案論證方案一：采用場效應(yīng)管或三極管控制增益。主要利用場效應(yīng)管可變電阻區(qū)（或 三極管等效為壓控電阻）實現(xiàn)增益控制，由于題目要求的頻帶較高。該方案采用 大量分立元件，電路復(fù)雜，穩(wěn)定性差。方案二：采用多路選擇器來來改變放大器跨接的電阻的值實現(xiàn)增益控制。該 方案需求每一級放大器都要加多路選擇器，不能實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，影響高頻的頻率特性，容易引起放大器的自激。方案三：根據(jù)題目對放大電路增益可控的要求，考慮直接選取可調(diào)增益的運 放實現(xiàn)（如VCA820o其特點是以db為單位進(jìn)行

3、調(diào)節(jié)，可控增益土20dB，可以用 單片機方便的預(yù)制增益。綜合比較，基于電路集成度高，條理清晰，控制方便，易于數(shù)字化單片機處 理的考慮，選擇方案三。2.射頻寬帶放大器選擇的方案論證方案一：采用電壓反饋放大器OPA846 OPA847 OPA657等電壓放大器，該 系列的運算放大器的增益帶寬積很高，但該系列的去補償?shù)碾妷悍答伔糯笃饔捎?寄生電容過大會引起放大器的震蕩，而手工焊接的板子不能夠保證寄生電容很 小，難于調(diào)試，用PCB電路板有益于電路調(diào)試。方案二：采用電流反饋放大器OPA691 OPA2694特別是OPA2694的電壓壓 擺率高達(dá)4300V/US，在增益和大信號的調(diào)理中表現(xiàn)更好的帶寬和失真

4、度，但是 輸入失調(diào)電流比較高，題目要求的1db增益起伏難以實現(xiàn)。綜合比較，基于帶寬和失真度的考慮，選擇方案一中低失調(diào)電流的OPA657二、理論分析與計算1.放大器帶寬增益積（1）電壓反饋型（VFB運算放大器的增益和帶寬存在一定的關(guān)系：從對應(yīng) 的波特圖上可以看出，從直流到由反饋環(huán)路的主極點決定的截止頻率Fc之間，增益是恒定不變的， 在該頻率以上， 如果頻率升高一倍， 增益就會減半。 運算放 大器的-3dB3帶寬就是Fc,增益越高，帶寬越窄，帶寬增益積BW u A =常數(shù)，4uA為放大器放大的倍數(shù)。所以電路設(shè)計時應(yīng)在放大器的帶寬和增益之間進(jìn)行折 衷選擇。假設(shè)放大電路的高頻響應(yīng)用下面的單極點函數(shù)表示

5、Afj )二Am/(1 j /H)式中Am為放大器的中頻增益，為角頻率，H為上限角頻率。當(dāng)引入負(fù)反饋并假設(shè)反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)是與頻率無關(guān)的實數(shù)B時，則有Af(j )二A(j )/(1 BA(j，)將式(2-1)代入式(2-2)得由此可知，反饋中頻增益為Af =Am/(V AmB)，上限角頻率Hf變?yōu)镠f = H(1 AmB)(2-4)這說明引入負(fù)反饋以后，放大電路的上限頻率擴展了，擴展程度與反饋深度F有 關(guān)。對本系統(tǒng)直流寬帶放大器，放大器下限角頻率為零赫茲，所以無反饋時放大 器的通頻帶BW二fH，引入負(fù)反饋后放大器通頻帶擴展到無反饋時的(1AmB)倍。而且有AmfBWfA2(1 AmB) BW

6、 = AmBW 二常數(shù)(1 AmB)(2)電流反饋型(CFB)運算放大器：在電流反饋運放中，開環(huán)響應(yīng)是輸出電 壓對輸入電流的響應(yīng)。因此，與電壓反饋運放不同，電流反饋運放輸入和輸出之 間的關(guān)系不是用增益表示，一般是用跨阻來表示，因此電流反饋運放也被稱為跨 阻放大器。電流反饋運放的跨阻在500k?1M?之間。與電壓反饋運放不同，電流反饋運放沒有恒定的增益帶寬積。 也就是說，當(dāng) 增益隨著頻率增加而降低時，降低的規(guī)律就不是增益衰減一半，帶寬擴展一倍的 了。電流反饋運放可以在較寬的增益范圍內(nèi)保持高帶寬，但這是以反饋阻抗的選擇有限制為代價的。例如，其中一個限制就是電流反饋運放的反饋環(huán)路中不允許 有大電容，

7、因為電容會使高頻下的反饋阻抗降低， 從而導(dǎo)致振蕩。由于同樣原因， 雜散電容也必須控制在運放的反相輸入端周圍。本系統(tǒng)中使用的OPA657帶寬增益積分別為1.6GHz當(dāng)然，改善系統(tǒng)幅頻特 性不僅僅考慮帶寬增益積就足夠的， 還有其他因數(shù)的考慮，如運放的擺率、驅(qū)動 負(fù)載的能力和小信號放大后的輸出信號質(zhì)量等。2.放大器穩(wěn)定性分析(1)放大器板上所有運放電源線級數(shù)字信號線均加磁珠和電容濾波，磁珠可 濾除電流上的毛刺，電容濾除較低頻率的干擾，它們配合在一起可較好地濾除電 路上的串?dāng)_。(2-2)Af(j )=Am/(1 AmB)1 j，/(1佔)H)(2-3)5安裝時盡量靠近IC電源和地。（2）所有信號耦合用

8、點解電容兩端并接高頻瓷片電容以避免高頻增益下降。（3）在兩個焊接板之間傳遞模擬信號時用同軸電纜， 信號輸入輸出使用SMA-BN接頭以使傳輸阻抗匹配，并可減少空間電磁波對本電路的干擾，同時避 免放大器自激。（4）數(shù)字電路部分和模擬電路部分的電源嚴(yán)格分開，同時數(shù)字地和模擬地 電源地一點相連。3.抑制直流零點漂移理論分析零點漂移是指當(dāng)放大電路輸入信號為零時，由于受溫度變化，電源電壓不穩(wěn)定等因素的影響，是靜態(tài)工作點放生變化，并知己放大和傳輸，導(dǎo)致電路輸出端 電壓偏離原固定值而上下飄動。放大電路級數(shù)愈多、放大倍數(shù)愈大，輸出端的漂 移現(xiàn)象俞嚴(yán)重。抑制零點漂移的措施，除了精選元件、選用高穩(wěn)定度電源以及用 穩(wěn)

9、定靜態(tài)工作點的方法外，在實際電路中可采用補償?shù)姆椒?。補償是指用另外一 個元器件來抵消放大電路的漂移，把漂移抑制在較低的限度之內(nèi)。前級的放大器 引入的直流對整體的系統(tǒng)影響最大，系統(tǒng)通過手動調(diào)節(jié)分壓網(wǎng)絡(luò)的方式對前級放 大器引入的直流進(jìn)行補償。后級運放則通過軟件調(diào)節(jié)另一分壓網(wǎng)絡(luò)的方式對后級 可控增益放大級引入的直流進(jìn)行補償。三、硬件電路設(shè)計3.1系統(tǒng)框圖圖一系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)主要由前級發(fā)達(dá)模塊、增益控制模塊、后級放大模塊、鍵盤及顯示模 塊和電源模塊。如圖一所示。3.2可控電壓增益電路可控增益調(diào)節(jié)部分我們使用壓控增益放大器VCA820 VCA820在寬頻帶工作 圖1系模式下，增益控制范圍為-20dB+20

10、dB，但增益dB和控制電壓不是線 性關(guān)系。如圖二所示。63.3前級電壓增益放大電路由于OPA657I勺增益帶寬積高達(dá)1.6GHz,并且其輸入失調(diào)電流僅有土0.25mV,對于后級電路的調(diào)理起到相當(dāng)大的簡化作用，該運放有良好的帶寬增益。如圖三 所示。ZL圖三前級增益放大3.4后級電壓增益放大電路作為末級放大電路，一方面需要滿足題目要求電壓增益Av60dB,另一方面 為了避免放大倍數(shù)過大而自激，引入干擾。末級放大電路應(yīng)盡可能小但又必須達(dá) 到要求。方案一：考慮前級放大電路使用優(yōu)越的精密運算放大器OPA657此級放大也 采用該放大器。經(jīng)過前面三級放大，末級僅僅需要實現(xiàn)4倍放大即可達(dá)到題目所 有要求。方案

11、二：考慮單位增益穩(wěn)定性且需電壓反饋運放，可選擇大功率帶寬，單位增益穩(wěn)定，新輸出級結(jié)構(gòu)輸出高的電流占用較小的空間的單電源運放OPA2694通過實際測試，OPA269的測試性能能及輸出好于OPA65的各項指標(biāo)，并能 完成題目要求的電壓增益Av60dB,且很好的避免因放大倍數(shù)太大引起的自激。II圖二壓控增益電路7R2 1k+ VG1?圖三前級增益放大四、軟件仿真在放大電路設(shè)計里，系統(tǒng)萬案選取TI公司的OPA2694和OPA657其中，OPA269初二路、寬帶、低功耗電流反饋運算放大器，電流反饋運放可以在較寬 的增益范圍內(nèi)保持高帶寬，而且OPA657的增益帶寬積高達(dá)1.6GH z,并且其輸入 失調(diào)電壓

12、僅有土0.25mV對于后級電路的調(diào)理起到相當(dāng)大的簡化作用，該運放有良好的帶寬增益。當(dāng)把其增益設(shè)置為20db時，其帶寬可以達(dá)到100MHZ同時在80MHZ以內(nèi)，增益穩(wěn)定度很穩(wěn)定，能滿足題意要求，具體的TINA的軟件仿真如下：VF123_j V2 5 f嚴(yán),_夏忡:R Mltl觀EkV檸m TAM mot TJ UtikiK弋I $ *1盡I I _H._鈿|?起國5：_H圳利嬋H獐I朋由卜網(wǎng)TT II龍中戸g|iE!rtfflWi旦副SR1 1k1U1 OP A694AC|g|BT E!SlPi W5JIHICBPW8圖一OPA567的TINA仿真9圖二OPA2694的TINA仿真在TINA的軟

13、件仿真圖中，可以看出，這些參數(shù)設(shè)置完全可以滿足題目要 求。五，系統(tǒng)測試及結(jié)果分析1.測試使用的儀器設(shè)備(1) 350M數(shù)字式存儲示波器：RIGOL型號DS4034(2)高頻信號發(fā)生器：RIGOL DS52522.測試方法設(shè)置輸入有效值為10m v的電壓信號，測試通頻帶內(nèi)是否平坦。設(shè)置 不同的控制電壓的值來控制增益， 讀取示波器讀取電壓的峰峰值，從而計算有效 值。3.測試數(shù)據(jù)注：V=10mv頻率增益(dB、0.3MHz10MHz30MHz50MHz0n12.1 mV12.1mV12.2 mV12.0 mV20110mV109 mV110 mV109mV401.08V1.06V1.08mV1.07

14、mV頻率增益(dB)、70MHz80MHz100MHz120MHz012.0mV11.8mV11.78 mV10.8 mV20110mV107 mV108 mV98mV401.08V1.06V983mV975mV測試結(jié)果分析:專霊Nwaw - AC ZZ京和F KEJ AfV ipiT!p!&H宜311帀嘆訊T常講咱塔原擱詞卜1H4半I幵黃I匕立wI豐孕審_世*：& |工.-3CTWHH4；F)ADIF阿TJI4P) T3 LKiw KhHR斗*I jI絞LJ：.J；J匚妙I(lǐng)WIIWIQTT葺込_BP一M歸口 |聶BW!H|狀伽的肚5M4100dB情況下增益起伏：0.4381;20dB情況下增

15、益起伏：0.9241;40dB情況下增益起伏：0.9721;滿足題目所設(shè)頻帶內(nèi)增益起伏 20dB,輸入電壓有效值Uiw20mV Av在020dB范圍內(nèi)可調(diào)。(2)最大輸出正弦波電壓有效值Uo200mV輸出信號波形無明顯失真。(3)放大器BW-3d的下限頻率fLw0.3MHz上限頻率fH20MH?并要求在1MH15MH頻帶內(nèi)增益起伏w1dB(4)放大器的輸入阻抗=50歐，輸出阻抗=50歐(5)本設(shè)計多使用集成芯片，以較低的成本實現(xiàn)了題目要求。(6)電壓增益Av60dB,輸入電壓有效值Uiw1mV Av在060dB范圍內(nèi)可調(diào)。(7)放大器BW-3dB勺下限頻率fLw0.3MHz上限頻率fH100MH?并在1MH80MH頻帶內(nèi)增益起伏w1dB,最大輸出正弦波電壓有效值Uo1V,輸出信 號波形無明顯失真。(8)最大輸出正弦波電壓有效值Uo1V,輸出信號波形無明顯失真。2存在問題及改進(jìn)措施:(1) 在實際調(diào)試時，在0.3MHZ至80MH頻帶內(nèi)，OPA65增益穩(wěn)定度很好， 但是在80MH以后增益幅度有所提升,所以采用OPA269來替換OPA657增益穩(wěn) 定度很好，同時頻帶更寬，可達(dá)170MHZ輸出波形無明顯失真。(2) 在雙路運放級聯(lián)時，電流反饋放大器在增益和大信號的調(diào)理中表現(xiàn)更好的帶寬和失