全國電子設(shè)計(jì)競賽設(shè)計(jì)報(bào)告(射頻可控放大器)

1、全國電子設(shè)計(jì)競賽設(shè)計(jì)報(bào)告（射頻可控放大器）作者:日期:2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽論文【本科組】增益可控射頻放大器設(shè)計(jì)報(bào)告2015年8月15日摘要F本系統(tǒng)基于對壓控增益放大器 VCA824的控制，由前級壓控模塊，后級放大 模塊，鍵盤模塊以及屏幕顯示模塊組成。此設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)對百兆信號的放大以及程 控增益步進(jìn)放大。前級由 VCA824和DAC0832組成，單片機(jī)控制 DAC0832俞出電 壓變化改變VCA824的增益變化，由VCA824俞出的信號經(jīng)過后級放大 20dB達(dá)到 有效值大于2v的輸出，并且后級使用增益帶寬積達(dá)到 1.6GHz的OPA657可以 實(shí)現(xiàn)通頻帶大于70M的要求。本系統(tǒng)還配備S

2、TC90C51單片機(jī)控制增益變化以及 鍵盤和顯示模塊。經(jīng)驗(yàn)證，本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了題目的要求。關(guān)鍵字：VCA824 DAC0832電壓反饋放大器 射頻寬帶放大 增益步進(jìn)、系統(tǒng)方案論證1.1可控增益放大器的方案論證方案一：采用多路開關(guān)選擇器來選擇所需放大倍數(shù)對應(yīng)的運(yùn)放的跨接電阻來 實(shí)現(xiàn)增益控制。由于題目要求增益以4dB變化，需要十幾個(gè)個(gè)電阻才能達(dá)到要求， 而多路選擇器使電路復(fù)雜，影響高頻的頻率特性，容易引起放大器的自激。方案二：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(shí)現(xiàn)增益控制，但由于題目要求的頻帶較高較難實(shí)現(xiàn)， 該方案又需要采用大量分立元件，電路復(fù)雜，

3、穩(wěn)定性差。方案三：采用VCA824壓控增益放大器，其特點(diǎn)是dB為單位變化，可以通過 單片機(jī)控制DAC0832進(jìn)而控制VCA824的增益變化。該方案連線簡單，并且直 觀，智能并高效。綜上比較，為使電路直觀，清晰，穩(wěn)定，減少自激發(fā)生的可能性，采用數(shù)字 化控制的VCA824.1.2射頻放大器選擇的方案論證方案一：采用電壓反饋放大器 OPA698由于該放大器的增益帶寬積為 450MHz基本能滿足要求，成本低。但由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)僅兩級，固定放大器放大 20dB,因此不能滿足通頻帶要求。方案二：采用電流反饋放大器 OPA691 OPA2694特別是OPA2694勺電壓壓 擺率高達(dá)4300V/US，在增益和大

4、信號的調(diào)理中表現(xiàn)更好的帶寬和失真度，但是 輸入失調(diào)電流比較高，題目要求的 2dB增益起伏難以實(shí)現(xiàn)。方案三：采用電壓反饋放大器 OPA657該放大器的增益帶寬積高達(dá)1.6GHz, 在20dB的放大倍數(shù)下，依然能滿足通頻帶的要求。但該放大器的去補(bǔ)償?shù)碾妷?反饋放大器由于寄生電容過大會(huì)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。綜上比較，為了滿足通頻帶要求和盡量減少失真，選擇方案三。系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1增益調(diào)整系統(tǒng)的增益調(diào)整由VCA824實(shí)現(xiàn)，通過單片機(jī)控制 DAC0832的輸出電壓變化控制VCA824勺增益變化。DAC0832勺參考電壓

5、Vref f選用5v直流源，則DAC0832VOUT廿X （輸入的數(shù)字量）的輸出電壓：256人 rVout mVgVin+（卑厚）xVinVCA824的輸出電壓：Rg1Rg R1丿式子中的Rf、Rg和R1均為VCA824外接電阻，其中V|N為輸入信號，V為 控制該芯片增益變化的電壓。經(jīng)過理論計(jì)算，基本能實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)所需的-8dB到20dB的變化要求。2.2 放大器增益帶寬積運(yùn)算放大器增益和帶寬存在一定的關(guān)系。當(dāng)放大倍數(shù)增大，則對應(yīng)的帶寬會(huì)變窄，帶寬增益積BW u A =常數(shù) 放大電路的高頻響應(yīng)：Af(j3)=Am/(1 + jm/<0H)(2-1)式中Am為放大器的中頻增益，為角頻率，&#

6、39;，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(shí)數(shù)B時(shí)，則有Af(j )= A(j )/(1 BA(j )(2-2)將式(2-1)代入式(2-2)得Af(j )Am/(1 AmB)(2-3)1 j，/(1 AmB)，h)由此可知，反饋中頻增益為Am Am/(r AmB)，上限角頻率'Hf變?yōu)槿~=CDH(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(kuò)展了，擴(kuò)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(shí)放大 器的通頻帶BW二fH，引入負(fù)反饋后放大器通頻帶擴(kuò)展到無反饋時(shí)的 (1 AmB) 倍。而且有Am

7、f BWf紹 (1 AmB) B Am BW =常數(shù)(1 AmB)本系統(tǒng)選用的OPA657其增益帶寬積高達(dá)1.6GHz,能滿足通頻帶的要求。 但依然需要考慮運(yùn)放的擺率，驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力以及放大信號的質(zhì)量等因素。2.3 放大器穩(wěn)定性分析各級之間均用阻容耦合，在兩級之間使用電解電容兩端并接高頻瓷片電容以 避免咼頻增益下降，并且隔直。將電源線以及數(shù)字信號線均加磁珠和電容。磁珠可濾除電流上的毛刺，電容濾除較低頻率的干擾。在各級之間實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，減少后面自激現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性。 數(shù)字地和模擬 地嚴(yán)格分開，并且模擬地和數(shù)字地接于一點(diǎn)。2.4頻帶內(nèi)增益起伏控制本系統(tǒng)后級固定增益放大，根據(jù) OPA657芯片手冊提供

8、，其增益為10倍時(shí)， 帶寬高達(dá)160MHz可達(dá)到題目發(fā)揮部分要求“ 60MHz130MH范圍波動(dòng)”的指標(biāo) 要求。前級級使用壓控放大器 VCA824在一定頻帶內(nèi)輸出信號會(huì)有波動(dòng)。根據(jù) VCA824芯片手冊提供，在壓控電阻控制端進(jìn)行頻率補(bǔ)償，可擴(kuò)展信號頻帶，使 輸出信號增益穩(wěn)定，達(dá)到題目“波動(dòng)v 2dB'指標(biāo)。電路與程序設(shè)計(jì)3.1電路的設(shè)計(jì)經(jīng)過上述的分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊采用的最終方案如下：控制模塊：采用STC90C51單片機(jī)電源模塊：采用兩個(gè)雙電源增益調(diào)整模塊：采用DAC083卻VCA824后級放大模塊：采用OPA657電壓反饋放大器顯示模塊：采用液晶屏LCD1602鍵盤模塊：采用

9、兩個(gè)單點(diǎn)鍵系統(tǒng)的總體框圖如圖3.1所示：信號增益后信號J »鍵盤STC90LCD圖3.1可控電壓增益電路可控增益電路我們采用 VCA824和DAC0832并用單片機(jī)控制。為和后級的 20dB搭配，我們控制VCA824勺增益為-8dB到20dB,以滿足題目要求的大于40dB 的要求。具體電路如圖所示R4 1k-VvV圖 控制模塊我們采用單片機(jī)控制管腳高低電平變化來使DAC0832勺輸出電壓發(fā)生變化,進(jìn)而控制VCA824的增益變化，具體電路如圖 所示：I111JP ""h2i3fI5,6irA7i?r：=89仲DAC0S3212V+I'B2C5V6v4UA74

10、1 寸0.1uF1uF <TEXT>VCCILECBY1/TOWR2XFERDI4DISDIBDI7IQUT2I0UT1CS wr7GNDDI3DI2DI1DIO VREF RFBGNDC/! WuF 亠蘭T©冥T=1918171615141312111I I一_0.1uF后級放大模塊后級放大電路，一方面需要滿足題目要求電壓增益Av> 40dB,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。為了電路直觀清晰，因此我們選用OPA657（乍為末級放大電路的放大器，由于其增益帶寬積高達(dá)1.6GHz,即使后級放大20dB,帶寬仍滿足

11、要求。具體電 路如圖所示：FM 220-VF1CVG1s T B IG TS T圖 3.1.3四、測試方案與測試結(jié)果4.1 測試儀器儀器名稱：SP1641BTDS1002B +12v穩(wěn)壓電源函數(shù)信號發(fā)生器數(shù)字示波器直流電源4.2 測試方法由信號源輸出有效值為20mv的信號，調(diào)節(jié)頻率變化和增益變化，分別觀察 測試VCA824的輸出電壓和經(jīng)后級放大輸出的信號，采用點(diǎn)頻法測量電路的幅頻 特性，觀察波動(dòng)范圍。4.3 測試結(jié)果測試數(shù)據(jù)注：V=20mv通頻帶測試增益（dBK60MHz70MHz75MHz80MHz012.0 mV12.3mV12.4mV12.5 mV20109mV109 mV110 mV1

12、09mV401.08V1.06V1.08mV1.07mV增益(dB)85MHz90MHz100MHz110MHz012.1mV11.8mV11.7 mV10.4 mV20110mV107 mV108 mV98mV401.08V1.03V963mV975mV432步進(jìn)增益測試測試結(jié)果分析:理論、增益(dB)x 某頻率 下實(shí)際'、 增益(dB) 12dB16dB20dB24dB70MHHz10111517誤差2557理論增益(dB) 某頻率 下實(shí)際 增益(dB) 28dB32dB36dB40dB70MHz25313438100MHz20252932誤差87584.

13、4測試結(jié)果分析由此可見，在高頻段增益持續(xù)下降，并且誤差大。其他都能接近預(yù)設(shè)的要求五、結(jié)論與系統(tǒng)改進(jìn)措施1 作品達(dá)到了題目所有基本和發(fā)揮部分的部分功能及指標(biāo)的要求:(1) 電壓增益 Av>20dB,輸入電壓有效值 Ui < 20mV Av在1240dB范 圍內(nèi)可調(diào)(2) 最大輸出正弦波電壓有效值 Uo>200mV輸出信號波形無明顯失真。(3) 放大器BW-3dB的下限頻率fL < 60MHz上限頻率fH > 130MHz并要求 在60M到130M頻帶內(nèi)增益起伏w 1dB。(4) 放大器的輸入阻抗=50歐，輸出阻抗=50歐(5) 本設(shè)計(jì)多使用集成芯片，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了題目要求。(6) 電壓增益 Av>40dB,輸入電壓有效值 Ui w