射頻寬帶放大器_高超組課件

1、射頻寬帶放大器學(xué) 校：西安交通大學(xué)作 者：高 超 關(guān)雁銘 劉 錦指導(dǎo)教師：張鵬輝 王中方 張翠翠摘 要：本作品以德州儀器（TI）公司所生產(chǎn)LMH6518和THS3202為主要器件，設(shè)計并制作了060dB全增益范圍內(nèi)1dB通頻帶為300kHz150MHz、3dB通頻帶為300kHz200MHz以上的寬帶放大器。放大器輸入、輸出阻抗均為50。在輸出端接50負載時，頻帶300kHz150MHz范圍內(nèi)，最大不失真輸出電壓有效值可達1.1V，150MHz帶內(nèi)波動為0.81dB，且最大增益大于60dB。實測結(jié)果表明，該作品成功實現(xiàn)了題目要求的功能，多項指標(biāo)優(yōu)于題目要求。關(guān)鍵詞：寬帶放大；程控增益；LMH6

2、518Abstract：This radiofrequency broadband amplifier is designed based on Texas Instruments (TI) amplifiers LMH6518 and THS3202, which has a programmable gain over 060dB with a 1dB bandwidth of 300kHz to 150MHz, and a 3dB bandwidth of over 200MHz, having an input and output impendence designed to be

3、50 ohms. The maximum output voltage without distortion is 1.1Vrms with a 50 ohm load and within 1dB bandwidth. The maximum gain is over 60dB with an in-band gain error less than 0.81dB. Measurements suggested that our device has reached all requirement of the subject, and some indexes even surpass t

4、he criteria the competition demands.Keywords：Broadband Amplifier, Programmable Gain, LMH6518 一、系統(tǒng)總體方案與子模塊設(shè)計1、系統(tǒng)總體方案設(shè)計根據(jù)題目要求，系統(tǒng)要在寬頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)增益可調(diào)，系統(tǒng)級按照放大器的組成形式可以有兩套方案：方案一：使用分立元件構(gòu)成放大器。使用分立元件設(shè)計放大器的優(yōu)點在于系統(tǒng)噪聲低，且各項指標(biāo)可以根據(jù)特殊要求設(shè)計。但分立元件放大器失真較大，而且增益不便于調(diào)節(jié)，各元件參數(shù)計算非常復(fù)雜，不便于調(diào)試，PCB布線稍有不慎就會引入大量分布參數(shù)。方案二：使用集成運算放大器。集成運算

5、放大器體積小、外圍電路簡單，并且現(xiàn)在部分產(chǎn)品帶寬寬、增益準(zhǔn)確、帶負載能力強。對于本題目的要求，使用分立元件難以達到較低的失真度，且靠調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點難以達到較高的增益準(zhǔn)確度。因此我們使用集成運算放大器來完成設(shè)計任務(wù)。由于一般型號的可變增益放大器都無法達到060dB可調(diào)，因此放大器至少為兩級。在放大器類型上可以選擇兩級均是可變增益放大器，由控制系統(tǒng)分別控制；也可以選擇前級為可變增益放大，后級為固定增益放大，并使用繼電器控制固定增益放大器的接入達到060dB全增益范圍可調(diào)。比較之下，前級可變增益、后級固定增益的結(jié)構(gòu)易于控制，成本較低，因此我們采用這種結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)的設(shè)計。最終設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖1.1所

6、示。圖1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2、各個分模塊設(shè)計方案比較前文所述，對于常用的可調(diào)增益放大器，可調(diào)增益范圍一般情況下不超過40dB，因此設(shè)計時我們設(shè)定可變增益放大器增益為040dB范圍內(nèi)，后級固定增益放大器總增益設(shè)置在20dB左右，在增益調(diào)節(jié)范圍小于40dB時斷開后級放大器，大于40dB時再將其接入，同時降低前級放大器增益，便可滿足整體增益060dB可調(diào)的要求。（1）、可變增益放大器設(shè)計方案方案一：采用TI公司VCA822壓控增益放大器。該放大器040dB連續(xù)可調(diào)增益范圍內(nèi)帶寬可達150MHz。方案二：采用TI公司LMH6518寬帶程控增益放大器。該放大器在040dB可調(diào)增益范圍內(nèi)帶寬可達900MH

7、z，噪聲因數(shù)僅為3.8dB，內(nèi)建不同截止頻率的程控濾波器。但芯片功耗較高，須做好散熱措施。對比之下方案二的放大器性能更加優(yōu)越，且第一級放大器的噪聲將對整個放大器的噪聲性能起到極大的影響，而LMH6518的噪聲性能和帶寬均遠遠優(yōu)于VCA822，因此前級可變增益放大器我們選用LMH6518.（2）、固定增益放大器設(shè)計方案根據(jù)題目發(fā)揮部分的要求，輸出在60dB電壓增益、50負載下要達到1V有效值，對運算放大器的輸出擺幅和帶寬提出了一定的要求。因此在運放選型上有如下選擇：方案一：采用TI公司THS3202電流反饋型雙運放，帶寬可達2GHz并且20負載情況下能夠輸出±115mA的電流。方案一：

8、采用TI公司OPA657電壓反饋運放，增益帶寬積可達1.6GHz，能夠輸出±70mA的電流。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊， OPA657單級20dB增益時大信號帶寬降至180MHz，留給帶寬拓展的空間較小。而電流模運放理論上帶寬與電壓增益無關(guān)，且輸出能力強，能夠直接驅(qū)動負載，因此我們選擇THS3202作為后級固定增益放大器。（3）、增益切換電路設(shè)計方案增益切換電路根據(jù)實施切換操作的器件不同我們有兩套方案：方案一：采用TI公司TS5A3157單刀雙擲模擬開關(guān)，有300MHz帶寬與10導(dǎo)通電阻，適用于電壓低于5V的電路。方案二：采用小型繼電器直接切換。相比之下特定的模擬開關(guān)高頻性能可以做到很好，但限于所

9、準(zhǔn)備器件并且TS5A3157不易購買，而型號為B3GA4的表貼型繼電器其數(shù)據(jù)手冊標(biāo)明100MHz情況下對信號幅度的影響小于0.1dB，基本可以忽略不計，因此我們采用方案二完成增益切換電路。（4）、控制電路設(shè)計方案由于該題目控制內(nèi)容比較簡單，不需復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理與運算，因此MCU我們采用STM32F103VET6，采取開環(huán)控制，使用鍵盤輸入增益并通過LCD顯示出當(dāng)前增益值即可。二、理論分析與計算1、放大器的噪聲分析放大器的噪聲來源主要是電路電阻中的熱噪聲和輸入信號電壓的噪聲或電流在電阻上產(chǎn)生壓降的等效噪聲。由于其隨機性強，不便于定量計算。對于多級放大電路，可以通過控制前后級放大器的增益的方式來控制

10、噪聲。根據(jù)器件選型，LMH6518和THS3202的輸入電壓與電流噪聲譜密度如圖2.1和圖2.2所示：圖2.1 LMH6518的電壓電流噪聲功率譜密度圖2.2 THS3202的電壓電流噪聲功率譜密度噪聲功率為對電壓或電流頻譜密度的平方積分：PNoise=0f(V_spe_dens)2df （1）LMH6518的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為前置放大à衰減à輸出放大，其中前置放大增益與衰減為可程控。從圖中可以看出，在題目要求的通頻帶（300kHz100MHz）范圍內(nèi)，LMH6518在給定頻點的噪聲與芯片內(nèi)部前置放大器的增益有關(guān)，增益越高、衰減量越小則噪聲越小。因此程序設(shè)計時注意優(yōu)先設(shè)置前置放大器

11、為高增益將有效降低第一級放大器的噪聲。從電流噪聲功率譜密度分析，LMH6518的噪聲要遠低于THS3202，因此選擇LMH6518作為前置放大器是合理的。實際上在設(shè)計中，帶寬的控制與噪聲功率大小也密切相關(guān)。帶寬越寬對應(yīng)噪聲越大，系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)在這兩個指標(biāo)中折中。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，LMH6518的輸出放大器之后設(shè)置有程控濾波器，截止頻率可設(shè)置為20MHz至全通。在本題的設(shè)計中我們采用截止頻率為350MHz的濾波器，并在后級增加RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)，基本平衡了噪聲指標(biāo)和帶寬的需求。2、輸入輸出阻抗與衰減電路（1）、輸入輸出阻抗題目要求系統(tǒng)的輸入和輸出阻抗都為50，對于交流信號第一級運算放大器輸入端使用50電

12、阻連接到地，如圖2.3所示。輸出阻抗在輸出級放大器輸出端串接50電阻即可，電路詳見圖2.6.圖2.3 輸入電阻交流等效（2）、衰減器的設(shè)計由于放大器總增益較高，達60dB，故在高增益段頻譜儀掃頻信號輸出需要衰減。為此我們制作了20dB衰減器，采用Pi型電阻網(wǎng)絡(luò)，電路圖如圖2.4所示：圖2.4 20dB衰減器電路原理圖衰減20dB即為10倍，兩端電阻按照如下計算（Z0為需要匹配的阻抗，K為衰減量）：R=Z0×K+1K-161.1（2）中央電阻按照如下計算：R=Z02×K-1K=247.5（3）按照上圖取值，實際衰減為-19dB，與-20dB設(shè)計誤差1dB，特性阻抗為50.5，

13、使用掃頻儀觀察幅頻特性良好，可以使用。3、放大器帶寬與增益的分析（1）、放大器帶寬需求根據(jù)系統(tǒng)方案的選定與芯片選型，LMH6518數(shù)據(jù)手冊標(biāo)稱在全增益范圍內(nèi)該芯片的-3dB帶寬均為900MHz，遠高于題目發(fā)揮部分的要求。而依照發(fā)揮部分的要求，系統(tǒng)最大電壓增益為60dB，但LMH6518的可控增益范圍為40dB，故后級固定增益放大器應(yīng)至少有20dB即10倍的增益。THS3202為電流模運放，根據(jù)該芯片數(shù)據(jù)手冊，增益20dB、Rf=200時帶寬可達550MHz，能夠滿足設(shè)計需求。（2）、放大器增益的分配對于LMH6518，其數(shù)據(jù)手冊標(biāo)明的結(jié)構(gòu)如圖2.5所示：圖2.5 LMH6518結(jié)構(gòu)框圖從圖中容

14、易看出LMH6518為全差分放大器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為前置放大（10dB、30dB）à衰減（0dB20dB）à輸出放大（8.86dB）。手冊里標(biāo)明該芯片實際可控增益范圍為-1.1638.8dB，不是嚴(yán)格040dB，故后級固定增益放大器一定需要對前級的增益進行補償，并將差分信號轉(zhuǎn)為單端信號。同時，根據(jù)題目要求，系統(tǒng)應(yīng)具有50的輸出阻抗，并且所有參數(shù)在50負載下測量。輸出電路如圖2.6所示：圖2.6 輸出端電路及其等效由于47nF電容在高頻區(qū)可以視為短路，則R1與R2可由戴維寧等效為后面的形式，則從負載前看入的等效輸出電阻為：RO=R1R2R1+R249.7（4）U'=R2R

15、1+R2U0.975U（5）則最終UO相對于U的衰減量A(dB)為：A=20logRLRO+RLU'U-6.21 dB（6）因此，對于低增益段放大器，應(yīng)對這個衰減予以補償。為避免芯片工作在臨界狀態(tài)，我們將前級LMH6518的可調(diào)增益范圍設(shè)置為 -1.1636.8dB，并將THS3202雙運放（A與B）的前一個運放與LMH6518級聯(lián)共同組成低增益段放大器。以題目要求0dB起調(diào)校準(zhǔn)，可見該級THS3202-A應(yīng)具有7.37dB的增益，可以取反饋電阻與輸入電阻為510與220，實際增益為7.30dB，誤差0.07dB，低增益段增益可調(diào)范圍為038dB，符合要求。對于高增益段放大器，根據(jù)題目

16、要求最高增益60dB，高增益段放大器應(yīng)具有22dB的增益。該級由THS3202-B同相比例器組成，取反饋電阻與輸入電阻為240與20，實際增益為22.28dB，誤差0.28dB，符合要求。三、系統(tǒng)電路設(shè)計1、放大器電路設(shè)計根據(jù)放大器選型與理論計算結(jié)果，放大器分為低增益段放大器與高增益段放大器兩部分。放大器電路設(shè)計如圖3.1、3.2所示，圖中運算放大器部分退耦電容已省略：圖3.1 低增益段放大器電路原理圖圖3.2 高增益段放大器電路原理圖本電路由于工作頻率較高，布線的時候經(jīng)過了仔細考慮。所有運算放大器的正負電源均串入了磁珠，并且使用了101至106的無極性電容作為運算放大器的退耦電容。差分輸出的

17、放大器盡可能使用等長的信號線，增加頂層到底層大面積鋪地的過孔數(shù)量以降低地線的電阻，消除自激振蕩的風(fēng)險。由于LMH6518功耗高達1.1W，又是小型四方無引腳封裝，因此稍有不慎就會因過熱而燒毀。對此我們在PCB設(shè)計時底層使用了較大的散熱片，通過與QFN封裝底層PowerPad的連接保證芯片熱量快速經(jīng)散熱片散失。而后級THS3202作為功率輸出級，輸出電流較大，同樣容易發(fā)熱，因此我們將加工過的銅柱用導(dǎo)熱膠粘接在芯片表面加強散熱。經(jīng)測試，系統(tǒng)長時間連續(xù)工作沒有過溫現(xiàn)象，工作穩(wěn)定。2、增益切換電路設(shè)計增益切換電路為繼電器切換，其電路圖如圖3.3所示：圖3.3 增益切換電路原理圖3、電源電路設(shè)計LMH6

18、518為單5V電源供電，THS3202我們采用±5V雙電源供電，由于題目無功耗限制，故我們采用了紋波較小的線性穩(wěn)壓器7805與7905，通過直流穩(wěn)壓電源輸出±8V經(jīng)降壓后供電路工作。電路部分原理圖如圖3.4所示：圖3.4 電源電路原理圖四、系統(tǒng)測試方案與結(jié)果1、測試儀器(1)、茂迪LPS-305型數(shù)控線性直流穩(wěn)壓電源；(2)、LeCroy 42Xs-A 400MHz雙通道示波器；(3)、普源DSA1030頻譜分析儀；(4)、普源DG4162 DDS函數(shù)信號發(fā)生器。2、測試方案與測試結(jié)果由于題目發(fā)揮部分要求帶寬范圍為300kHz至100MHz，由于示波器帶寬400MHz，頻譜

19、儀帶寬為9kHz3GHz，為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們經(jīng)過多次測試，選取了10MHz作為高低頻區(qū)的劃分點，對高低頻區(qū)的幅頻特性采用不同的方式進行測量。(1)、輸出噪聲的測量：將輸入端通過50負載接地，通過示波器觀察并測量輸出信號電壓有效值，調(diào)節(jié)增益，記錄輸出噪聲有效值變化。實際測量在60dB增益、400MHz示波器觀察下噪聲峰峰值為198mV，相比發(fā)揮部分偏大。噪聲圖像詳見附錄圖A2.1.(2)、幅頻特性的測量：低頻區(qū)：用信號源產(chǎn)生不同頻率的信號送入放大器，用示波器觀察輸出波形，計算得出電壓增益并計算誤差。我們選擇測試頻點為300kHz與1MHz。高頻區(qū)：使用頻譜儀在5MHz至350MHz范

20、圍內(nèi)掃頻，得到幅頻特性曲線，使用光標(biāo)獲得不同頻點的增益。我們在5MHz至350MHz頻帶內(nèi)取10M、20M、50M、80M、100M、150M、200M、300MHz這8個頻點進行增益測量。由于頻譜儀輸入幅度有限且放大器增益較高，因此需要使用衰減器。但衰減器的引入無論外接還是頻譜儀內(nèi)置均會影響放大器的幅頻特性，為了最大程度保證測試的準(zhǔn)確性，我們對不同的增益段使用了不同的衰減器，使所使用的衰減器衰減量盡可能小。對030dB增益區(qū)間使用單級外接20dB衰減，3050dB區(qū)間使用兩級外接20dB衰減，5060dB區(qū)間使用兩級外接20dB衰減加10dB頻譜儀輸入衰減。10個頻點的增益線性度如表4.1所

21、示（詳細測試數(shù)據(jù)見附錄表A2.1表A2.3、圖A2.2）：表4.1 測試頻點增益線性度頻點/MHz0.3110205080100150200300線性度1.0000 1.0000 0.9999 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 0.9999 0.9981 0.9917 由表4.1可見，所有測試頻點增益線性度很好。(3)、帶內(nèi)波動的測量：根據(jù)高低頻段幅頻特性的測量結(jié)果，取同一增益設(shè)置下各個測試頻點中增益的最大值與最小值作差，記錄差值即為通帶內(nèi)波動值。40dB、60dB時300kHz至80MHz、150MHz、200MHz、300MHz的帶內(nèi)波動如表4.2和表4.3所示（詳細

22、測試數(shù)據(jù)見附錄表A2.4）：表4.2 40dB帶內(nèi)波動頻點/MHz80150200300帶內(nèi)波動/dB0.590.961.712.22表4.3 60dB帶內(nèi)波動頻點/MHz80150200300帶內(nèi)波動/dB0.810.812.475.62可見，系統(tǒng)在40dB增益范圍內(nèi)1dB帶寬為150MHz，3dB帶寬大于300MHz；40dB60dB增益范圍內(nèi)由于繼電器將后級放大器接入，1dB帶寬保持為大于150MHz，3dB帶寬降至200MHz與300MHz之間，均遠超出發(fā)揮部分的要求。(4)、輸出擺幅的測量：題目要求輸出擺幅能夠達到1V有效值，我們在1MHz、10MHz、50MHz等三個頻點在60dB

23、增益下使用示波器進行觀察與測量，輸出擺幅均能夠達到1V有效值且無明顯失真（測量截圖詳見附錄圖A2.4）。五、設(shè)計總結(jié)本題目的制作中所采用的核心器件為德州儀器（TI）公司寬帶程控增益放大器LMH6518以及高速電流模運算放大器THS3202。在設(shè)計過程中，我們通過理論計算得到了合理的設(shè)計方案與芯片選型，并經(jīng)過多種測試測量方法橫向?qū)Ρ龋粩嗾{(diào)試，使系統(tǒng)在各個方面基本都超出了發(fā)揮部分的要求。由于系統(tǒng)頻帶很寬，3dB帶寬高達200MHz以上，加之增益較高，使得系統(tǒng)噪聲相對較大，可以通過適當(dāng)犧牲帶寬而降低噪聲。根據(jù)測量的指標(biāo)，系統(tǒng)性能較為理想，基本上比較成功地完成了設(shè)計任務(wù)。附錄1、電路原理圖圖A1.1

24、 電路原理圖附錄2、系統(tǒng)性能測試數(shù)據(jù)（1）、滿增益輸出噪聲圖A2.1 滿增益輸出噪聲（2）、系統(tǒng)幅頻特性表A2.1 030dB增益下幅頻特性單級20dB衰減預(yù)設(shè)增益/dB測試頻點/MHz0.311020508010015020030000.03 0.36 -0.01 -0.04 0.01 0.04 0.21 0.73 1.24 2.12 22.09 2.36 1.97 1.94 1.96 2.02 2.16 2.67 3.19 4.04 44.02 4.32 3.99 3.94 3.95 4.00 4.14 4.65 5.16 6.00 65.99 6.29 5.96 5.93 5.96 5.

25、99 6.13 6.62 7.15 7.98 88.04 8.31 7.95 7.92 7.93 7.98 8.10 8.56 9.11 9.93 1010.04 10.31 9.93 9.91 9.92 9.95 10.08 10.58 11.10 11.91 1212.01 12.28 11.94 11.89 11.92 11.95 12.09 12.57 13.09 13.88 1413.97 14.25 13.91 13.90 13.90 13.94 14.07 14.56 15.09 15.90 1616.02 16.31 15.90 15.89 15.90 15.92 16.06

26、16.55 17.08 17.88 1817.97 18.27 17.89 17.88 17.90 17.92 18.05 18.55 19.09 19.89 2019.85 20.16 19.82 19.81 19.78 19.82 19.95 20.41 20.92 21.70 2221.85 22.12 21.83 21.80 21.78 21.81 21.94 22.41 22.90 23.65 2423.81 24.09 23.80 23.78 23.78 23.81 23.93 24.40 24.90 25.60 2625.77 26.13 25.77 25.78 25.77 25

27、.80 25.93 26.39 26.90 27.54 2827.83 28.07 27.76 27.77 27.76 27.79 27.92 28.38 28.87 29.43 3029.84 30.08 29.75 29.75 29.74 29.77 29.89 30.35 30.84 31.31 表A2.2 3250dB增益下幅頻特性兩級20dB衰減預(yù)設(shè)增益/dB測試頻點/MHz0.31102050801001502003003231.80 32.05 31.26 31.84 31.64 31.39 31.88 32.17 32.95 33.67 3433.81 34.02 33.24

28、33.85 33.65 33.40 33.87 34.18 34.93 35.60 3635.82 36.08 35.22 35.84 35.63 35.40 35.88 36.17 36.93 37.52 3837.76 38.02 37.21 37.80 37.61 37.40 37.88 38.17 38.92 39.43 4040.05 40.29 39.40 40.00 39.92 39.45 39.63 39.63 37.10 34.18 4241.89 42.18 41.32 41.95 41.81 41.33 41.48 41.49 38.94 36.00 4443.87 44

29、.17 43.31 43.92 43.77 43.32 43.46 43.47 40.93 38.01 4645.93 46.19 45.30 45.97 45.79 45.32 45.46 45.46 42.93 39.98 4847.97 48.16 47.26 47.93 47.77 47.30 47.46 47.45 44.92 41.97 5049.96 50.19 49.24 49.92 49.75 49.26 49.43 49.44 46.90 43.93 表A2.3 5260dB增益下幅頻特性兩級20dB衰減+頻譜儀10dB輸入衰減預(yù)設(shè)增益/dB測試頻點/MHz0.31102050801001502003005251.58 51.96 51.87 51.94 51.38 51.05 51