射頻寬帶放大器(D題)

1、2013 年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽射頻寬帶放大器射頻寬帶放大器（D D 題）題）【本科本科組組】2013 年年 9 月月 7 日日1摘摘 要要 本系統(tǒng)以程控增益調(diào)整放大器 AD603 為核心，外加寬帶放大器 OPA690 的配合，實(shí)現(xiàn)了高增益可調(diào)的射頻寬帶放大器。系統(tǒng)主要由六個(gè)模塊構(gòu)成：前置放大電路、一階RC 高通濾波電路、可控增益放大電路、輸出緩沖電路、直流穩(wěn)壓電源以及單片機(jī)顯示控制模塊。系統(tǒng)通過第一級(jí) OPA690 兩級(jí)級(jí)聯(lián)電路放大 20dB，再通過單片機(jī)程控兩級(jí)級(jí)聯(lián)的 AD603 實(shí)現(xiàn)-2060dB 的動(dòng)態(tài)增益變化，從而滿足電壓增益 Av 在 060dB 范圍內(nèi)可調(diào)的要求。整個(gè)系統(tǒng)放大器

2、可放大 1mV 有效值信號(hào)，增益可達(dá) 80dB，通頻帶內(nèi)增益起伏 1dB,放大器在 Av=60dB 的時(shí)候，輸出噪聲電壓峰-峰值為 80mV，通過單片機(jī)控制可實(shí)現(xiàn)電壓增益 Av 可預(yù)置并顯示的功能。整個(gè)系統(tǒng)工作可靠、穩(wěn)定，且成本低。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：射頻寬帶放大；可控增益；AD603 2目目 錄錄1 系統(tǒng)方案論證系統(tǒng)方案論證.11.1 方案比較與選擇.11.1.1 前置放大電路 .11.1.2 可控增益放大電路 .11.1.3 直流穩(wěn)壓電源 .21.2 方案描述.22 理論分析與計(jì)算理論分析與計(jì)算.32.1 寬帶放大器設(shè)計(jì).32.2 頻帶內(nèi)增益起伏控制.32.3 射頻放大器穩(wěn)定性.32.4 增益

3、調(diào)整.33 電路與程序設(shè)計(jì)電路與程序設(shè)計(jì).43.1 電路的設(shè)計(jì).43.1.1 前置放大電路 .43.1.2 可控增益放大電路 .43.1.3 輸出緩沖電路 .53.1.4 自制直流穩(wěn)壓電源模塊 .53.2 程序的設(shè)計(jì).53.2.1 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路 .53.2.2 程序流程圖 .64 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果.74.1 測(cè)試儀器.74.2 放大器增益測(cè)試.74.3 最大輸出有效值測(cè)試.84.4 通頻帶內(nèi)增益起伏測(cè)試.84.5 放大器噪聲電壓測(cè)試.84.6 輸入電阻與負(fù)載電阻阻值測(cè)試.8附錄附錄 1：源程序：源程序.91射頻寬帶放大器（射頻寬帶放大器（D 題）題）【本科組本科組

4、】1 系統(tǒng)方案系統(tǒng)方案論證論證1.1 方案比較與選擇方案比較與選擇1.1.1 前置放大電路前置放大電路方案一：使用分立元件三極管、電阻、電容、電感等構(gòu)成前置放大電路。該電路在元件參數(shù)設(shè)置不精準(zhǔn)的情況下，誤差較大，且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)困難，調(diào)試繁瑣，故不采用。方案二：使用儀表放大電路。儀表放大器具有低輸入失調(diào)電壓、高共模抑制比、可用單電阻實(shí)現(xiàn)增益大范圍調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，但是專用的儀表放大器價(jià)格通常比較昂貴，所以不予采用。方案三：采用 OPA690 運(yùn)放電路。OPA690 為低噪聲、低直流零點(diǎn)漂移運(yùn)放，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試容易，電路穩(wěn)定，效果較好。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.1.2 可控增益放大電路可

5、控增益放大電路方案一：利用高速運(yùn)放加數(shù)字電位器構(gòu)造可程控放大器，通過控制數(shù)字電位器阻值來(lái)控制放大器增益。但數(shù)字電位器建立時(shí)間最快也需幾 us，加之?dāng)?shù)字電位器 3db 截止頻率一般在幾百 KHz，當(dāng)輸入信號(hào)為 MHz 數(shù)量級(jí)下阻值準(zhǔn)確性會(huì)產(chǎn)生失真，使得程控變得困難，而且高速運(yùn)放在低頻下的響應(yīng)遠(yuǎn)不能滿足要求。因此，此方案可行性較差。方案二：采用可編程放大器的思想，將輸入交流信號(hào)作為高速 DAC 的基準(zhǔn)電壓，用 DAC 的電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成運(yùn)放反饋網(wǎng)絡(luò)的一部分，通過改變 DAC 數(shù)字控制量實(shí)現(xiàn)增益控制。理論上講，只要 DAC 的速度足夠快、精度足夠高就可以實(shí)現(xiàn)很寬范圍的精密增益控制，但是控制的數(shù)字量和最后

6、的 20dB 不成線性關(guān)系而成指數(shù)關(guān)系，造成增益調(diào)節(jié)不均勻，精度下降，因此不選用此方案。方案三：選用兩級(jí)集成可控增益放大器直接耦合作為增益控制，集成可控增益放大器的增益與控制電壓成線性關(guān)系，控制電壓由單片機(jī)控制 DAC 產(chǎn)生。單級(jí)集成可控增益放大器 AD603 具有-10dB 到+30dBdB 的增益控制范圍，兩級(jí)級(jí)聯(lián)后理論上可達(dá)到-20dB 到+60dB 的增益控制范圍，精度達(dá)到 0.5dB,帶寬 60MHz，可以滿足題目基礎(chǔ)部分指標(biāo)要求。綜合以上三種方案，選擇方案三集成可控增益放大器 AD603 實(shí)現(xiàn)增益控制，外圍電路簡(jiǎn)單，便于調(diào)試，而且具有較高的增益調(diào)節(jié)范圍和精度。 21.1.3 直流穩(wěn)

7、壓電源直流穩(wěn)壓電源方案一：線性穩(wěn)壓電源。串聯(lián)型電路比較簡(jiǎn)單，效率較高，尤其是若采用集成三端穩(wěn)壓器，輸出電壓紋波很小，可靠性高，可為后級(jí)小信號(hào)放大電路輸出波形不失真提供保障。方案二：開關(guān)穩(wěn)壓電源。此方案效率高，但電路復(fù)雜, 開關(guān)電源的工作頻率通常為幾十幾百 KHz，基波與很多諧波均在本放大器通頻帶內(nèi)，極容易對(duì)小信號(hào)高頻放大電路帶來(lái)干擾，使波形失真。綜合考慮采用方案一。1.2 方案描述方案描述輸 出輸 入輸入緩沖兩級(jí) OPA690前置放大兩級(jí) AD603程控增益放大輸出緩沖Buf634 擴(kuò)流A/D 電壓采集STC12LE5A60S2 單片機(jī)D/A TLC5615 增益電壓控制鍵 盤T F T電 源

8、一階 RC 高通濾波電路圖 1 系統(tǒng)方框圖最終確定的系統(tǒng)詳細(xì)方框圖如圖 1 所示。系統(tǒng)增益調(diào)節(jié)范圍為 060dB。前級(jí)放大電路增益為 20dB,由兩級(jí) OPA690 構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配，增大了后級(jí)輸入電壓。可控增益放大電路由兩級(jí) AD603 構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了-2060dB 的增益調(diào)節(jié)范圍。再通過兩個(gè)緩沖器 BUF634 并聯(lián)，擴(kuò)大輸出電流，提升放大器的帶負(fù)載能力。通過 STC12LE5A60S2 單片機(jī)來(lái)控制鍵盤和 TFT 顯示模塊，實(shí)現(xiàn)電壓增益手動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)功能和電壓增益 Av 顯示功能。 32 理論分析與計(jì)算理論分析與計(jì)算2.1 寬帶放大器設(shè)計(jì)寬帶放大器設(shè)計(jì) 寬帶放大器由兩級(jí) OPA690

9、級(jí)聯(lián)構(gòu)成的輸入緩沖放大電路、兩級(jí) AD603 級(jí)聯(lián)構(gòu)成的程控增益放大電路組成。輸入部分先用電阻分壓衰減，再由 OPA690 進(jìn)行輸入緩沖放大，后由 AD603 進(jìn)行程控增益放大，且兩個(gè) OPA690 為雙電源、交流耦合、G=+2 電路接法，寬帶為 220MHz。由于兩級(jí)放大電路幅頻響應(yīng)相同，所以當(dāng)兩級(jí) AD603 串聯(lián)后，帶寬會(huì)有所下降，串聯(lián)前各級(jí)帶寬為 90MHz 左右，兩級(jí)放大電路串聯(lián)后總的 3dB 帶寬對(duì)應(yīng)著單級(jí)放大電路 1.5dB 帶寬，根據(jù)幅頻響應(yīng)曲線可得出級(jí)聯(lián)后的總帶寬為 60MHz。2.2 頻帶內(nèi)增益起伏控制頻帶內(nèi)增益起伏控制 AD603 是一種低畸變、高增益精度的增益可調(diào)的集成

10、運(yùn)放，帶內(nèi)增益起伏 0.5dB，設(shè)計(jì)中采用兩級(jí) AD603 串聯(lián)后，帶寬會(huì)有所下降，在這種連接方式下帶寬遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求，所以可以保證通頻帶內(nèi)電壓增益起伏小于 1dB 的要求。OPA690 在 G=+2 的情況下，帶寬為 220MHz,帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于題目要求的 0.315MHz 頻率范圍，所以系統(tǒng)保證了穩(wěn)定的電壓增益。 2.3 射頻放大器穩(wěn)定性射頻放大器穩(wěn)定性放大器在工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)自激，外部干擾等，影響放大器穩(wěn)定的工作。當(dāng)放大器深度負(fù)反饋時(shí)輸出信號(hào)帶有一定的紋波。此時(shí)需要在輸出口加一個(gè)小電容，消除高頻的紋波干擾。為抑制干擾，在放大器電源兩端并接電容可以消除輸出信號(hào)的干擾。在印制 PCB 板時(shí)，走線敷

11、銅，可以大大降低信號(hào)的干擾。盡量選用貼片元件減少走線長(zhǎng)度減少寄生電容的影響。同時(shí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)各個(gè)單元電路間的阻抗匹配，這樣提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。將單片機(jī)的數(shù)字電源和模擬電路的電源隔開，同時(shí)數(shù)字地和模擬地電源地一點(diǎn)相連，防止數(shù)字系統(tǒng)的干擾進(jìn)入模擬系統(tǒng)。2.4 增益調(diào)整增益調(diào)整增益調(diào)整采用運(yùn)放 AD603，其內(nèi)部由 R-2R 梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，加在其梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號(hào)經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的參考電壓決定；而這個(gè)參考電壓可通過單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算并控制 D/A 芯片TLC5615 輸出控制電壓得來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)較精確的數(shù)控。此外 AD603 能提供由直流到30M

12、Hz 以上的工作帶寬，單級(jí)實(shí)際工作時(shí)可提供 30dB 的增益，兩級(jí)級(jí)聯(lián)后即可得到60dB 的增益，配合前級(jí) OPA690 運(yùn)放電路輸出，在高頻時(shí)也可提供超過 60dB 的增益。這種方法電路集成度高、條理較清晰、控制方便、易于數(shù)字化。43 電路與程序設(shè)計(jì)電路與程序設(shè)計(jì)3.1 電路的設(shè)計(jì)電路的設(shè)計(jì)3.1.1 前置放大電路前置放大電路 圖 2 前置放大電路圖前置放大電路由兩級(jí) OPA690 構(gòu)成，第一級(jí) OPA690 增益為 10dB，3 dB 寬帶為220MHz，第二級(jí)與第一級(jí)接法相同，增益為 10dB，3dB 寬帶為 220MHz。3.1.2 可控增益放大電路可控增益放大電路圖 3 可控增益放大

13、電路系統(tǒng)可控增益放大電路采用兩級(jí) AD603 級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)，單級(jí) AD603 采用寬頻帶模式接法，將 VOUT 與 FDBK 短路，有-1030dB 的增益調(diào)整范圍，90MHz 寬帶。級(jí)聯(lián)后兩級(jí)級(jí)5聯(lián)后理論上可達(dá)到-20dB 到+60dB 的增益控制范圍，寬帶為 60MHz。3.1.3 輸出緩沖電路輸出緩沖電路圖 4 輸出緩沖電路輸出緩沖電路由兩個(gè)緩沖器 BUF634 并聯(lián)，擴(kuò)大輸出電流，提升放大器的帶負(fù)載能力。3.1.4 自制直流穩(wěn)壓電源自制直流穩(wěn)壓電源模塊模塊圖 5 直流穩(wěn)壓電源電路電源由變壓部分、整流部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個(gè)系統(tǒng)提供5V 或者 3.3V 電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工

14、作。這部分電路比較簡(jiǎn)單，都采用三端穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)。3.2 程序的設(shè)計(jì)程序的設(shè)計(jì)3.2.1 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實(shí)現(xiàn)鍵盤的設(shè)置和顯示。1）鍵盤實(shí)現(xiàn)功能：設(shè)置增益值。2）顯示部分：顯示增益值。2、程序設(shè)計(jì)思路63.2.2 程序流程圖程序流程圖1、主程序流程圖開始初始化自動(dòng)增益控制按鍵子程序結(jié)束圖 6 主程序流程圖2、自動(dòng)增益控制子程序流程圖VoV?增益減增益加YN圖 7 自動(dòng)增益控制子程序流程圖73、按鍵子程序流程圖key1=0?？Key2=0?增益加增益減Dat1187?Dat99999)a1=1;GUI_sprintf_ZMHZs(x

15、+(a1-1)*16,y,asca1 temp%1000000/100000,Red,White);if(temp9999)a2=1; GUI_sprintf_ZMHZs(x+(a1+a2-1)*16,y,asca1temp%100000/10000,Red,White);10if(temp999)a3=1; GUI_sprintf_ZMHZs(x+(a1+a2+a3-1)*16,y,asca1temp%10000/1000,Red,White);if(temp99)a4=1; GUI_sprintf_ZMHZs(x+(a1+a2+a3+a4-1)*16,y,asca1temp%1000/100,Red,White); if(temp9) a5=1;GUI_sprintf_ZMHZs(x+(a1+a2+a3+a4+a5-1)*16,y,asca1temp%100/10,Red,White);a6=1; GUI_sprintf_ZMHZs(x+(a1+a2+a3+a4+a5+a6-1)*16,y,asca1temp%10,Red,White); main() float A,B=0; int i=0,j=0, b,c; Lcd_Init(); /tft 初始化 LCD_CS =0; /打開片選使能 GUI_Cl