【圖文】全國電子設計大賽武漢大學-射頻寬帶放大器

1、全國電子設計大賽全國電子設計大賽射頻寬帶放大器射頻寬帶放大器主要內(nèi)容設計要求方案論證與比較系統(tǒng)總體設計方案理論分析與計算系統(tǒng)測試結果總結1. 設計要求1基本要求（1）電壓增益 Av 20dB ，輸入電壓，輸入電壓有效值 Ui 20m V。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 -3dB 的下限頻率 fL 0.3MHz ，上限頻率 fH20MHz ，并要求在 1MHz 15MHz 頻帶內(nèi)增益起伏 1dB 。（4）放大器的輸入阻抗 = 50，輸出阻抗 = 50。2發(fā)揮要求（1）電壓增益 Av 60dB ，輸入

2、電壓有效值 Ui 1 mV 。Av在 060dB范圍內(nèi)可調(diào)。（2）在 Av 60dB 時，輸出端噪聲電壓的峰值 100m V。（3）放大器 BW -3dB 的下限頻率 的下限頻率 fL 0.3MHz ，上限頻率 fH100MHz ，并要求在 1MHz 80MHz 頻帶內(nèi)增 益起伏 1dB 。該項目要求在 Av 60dB （或可達到的最高電壓增益點），最大輸出正弦波有效值 Uo 1V ，輸出信號波形無明顯失真條件下測試。（4）最大輸出正弦波電壓有效值 Uo 1V，輸出信號波形無明顯失真。（5）其他（例如進一步提高放大器的增益、帶寬等）。oNppU2.方案選擇與論證軟件控制D/A實現(xiàn) 將輸入交流信

3、號作為高速D/A的基準電壓，通過寫控制字控制D/A改變D/A電阻網(wǎng)絡，作為運放的反饋電阻從而改變放大增益。 缺點：控制字和增益的關系是指數(shù)關系而不是線性關系。利用AD835乘法器實現(xiàn)。 AD835帶寬250MHz，只需將DA輸出的直流信號作為一個乘法輸入來實現(xiàn)對信號的放大或衰減。 缺點：AD835在通頻帶內(nèi)不夠平坦，且高頻時輸出噪聲較大。采用D/A控制VCA824配合繼電器實現(xiàn)。 VCA824帶寬420MHz，0.1dB帶寬135MHz，可控增益范圍-20dB-20dB，配合兩個繼電器實現(xiàn)可控增益放大范圍0 60dB。 控制電壓與輸出增益成線性關系，且VCA824的電壓控制精度非常高3.系統(tǒng)總

4、體設計方案 系統(tǒng)以MSP430F449單片機為控制核心，硬件部分主要包括前級小信號放大、程控增益放大、后級功率放大和繼電器控制模塊。軟件部分主要包括VCA824壓控電壓的DAC輸出控制和繼電器選擇和切換控制以及按鍵和顯示，總體框圖如下:具體模塊設計具體模塊設計二、程控增益放大電路 程控增益放大電路是整個系統(tǒng)增益可調(diào)的主要部分，它可以實現(xiàn)對增益連續(xù)可調(diào)。在設計中采用了程控增益芯片VCA824，VCA824是一款寬帶，電壓線性，連續(xù)可變的電壓控制增益放大器。其增益最大調(diào)節(jié)范圍可以達到40db，信號帶寬可以達到420MHz。在本設計中，使用了20db的調(diào)節(jié)范圍(主要是為了提高調(diào)節(jié)的裕量) 單片機控制

5、的12位串行D/A TLV5616來實現(xiàn)控制電壓的直流輸出（0-1V，相應的增益為0-20db）。具體電路如下：具體模塊設計三、后級功率放大電路 系統(tǒng)要求輸出負載50，輸出電壓有效值不低于1V。因此在設計中選擇了電流反饋型運放THS3091，旨在增強系統(tǒng)帶負載的能力。THS3091帶寬可以達到180MHz，壓擺率為7300V/us，最大輸出電流可以達到250mA，完全滿足系統(tǒng)要求，實際測試當輸出電壓有效值大于1V時，輸出波形無明顯失真。具體電路如下： 系統(tǒng)采用了電壓反饋和電流反饋運算放大器。接下來就這兩種放大器的增益設置和穩(wěn)定性做理論分析。一、增益設置 1，正常工作頻帶內(nèi)，電壓反饋運放的增益和

6、-3dB截止頻率表達式分別為： ， 即帶寬增益積為常數(shù)。所以電壓反饋運放的-3dB帶寬位置受增益的影響，電壓增益增大時，帶寬成比例下降。在使用電壓反饋運放時，要充分權衡電壓增益與帶寬的關系。cmvfcCgAf2cvfmcmcvfvfvfCAgfgfCjAAA2,2114.理論分析及計算 2，系統(tǒng)輸出需要驅(qū)動50電阻，最大輸出電壓有效值不小于1V,則運放輸出電流不小于20mA。本方案最后一級采用了THS3901，THS3091是一款電流反饋運算放大器，其增益和-3dB截止頻率表達式分別為： 由上式可見，電流反饋運放的增益和帶寬是相互獨立的，其-3dB帶寬位置僅受反饋電阻Rf的影響，因此選取合適的

7、反饋電阻非常重要，設計中采用的是官方推薦的電阻大小。cfccfvfvfCRfCfRjAA21,2114.理論分析及計算二、放大器穩(wěn)定性 設反饋放大器的穩(wěn)態(tài)頻率響應為:其中， 為開環(huán)增益函數(shù)， 為反饋函數(shù)。若在某一頻率 上，滿足環(huán)路增益為當 ，即環(huán)路增益為0db時， ，則 此時即使輸入信號為零，仍有某一頻率的信號輸出，即反饋放大器出現(xiàn)自激。要保證反饋放大器穩(wěn)定工作，必須使其遠離自激狀態(tài)，這種遠離程度可用相位裕量 表示，其定義式為 ，顯然，相位裕量越大系統(tǒng)越穩(wěn)定。因此，在實際設計電路中，應預有足夠的相位裕量。)(1)()()(1)()(jTjAjBjAjAjAf)(jA)(jBosc1)()()(

8、oscjoscoscTejTjT1)(oscjT)(oscT)(oscfjA)(-1800oscT4.理論分析及計算 嘗試過在普通電路板上焊接電路，結果發(fā)現(xiàn)非常容易自激，最后決定采用PCB制作。利用Altium designer設計原理圖和PCB。比賽過程中由于時間和器材的限制，只能在實驗室內(nèi)部就地取材，將銅板改做成最基本的印制電路板，由于器材限制不能使用過孔、通孔、雙層板等，對本次設計增加了一定的難度。 PCB底層和頂層大面積鋪地，降低接地總線的分布阻抗，在每個運放的電源管腳處用0.1uF和10uF的電容并聯(lián)去耦，同時使信號盡量在同一平面甚至是同一直線上，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低噪聲。 5. 系統(tǒng)模塊設計5. 系統(tǒng)模塊設計前級放大OPA8475. 系統(tǒng)模塊設計程控放大VCA8245. 系統(tǒng)模塊設計第一級放大THS3091第二級放大THS3091繼電器切換5. 系統(tǒng)設計之實物圖5. 系統(tǒng)設計之實物圖1.測試條件9K3.2GHz函數(shù)信號發(fā)生器：型號ROHDE &SCHWARZ SMBV100A500M數(shù)字存儲示波器：型號Tektronix TDS3052C2.測試結果 系統(tǒng)測試輸入輸出出阻抗為50， -3dB通頻帶 , 。在9KHz102MHz頻帶內(nèi)增益起伏小于1dB。本系統(tǒng)增益調(diào)節(jié)范圍0