射頻寬帶放大器的增益控制設(shè)計與研究

射頻寬帶放大器的增益控制設(shè)計與研究摘要：該系統(tǒng)是基于高頻寬帶運放OPA695和可控增益放大器LMH6502組合而成的射頻寬帶放大器，可實現(xiàn)0～60dB連續(xù)可調(diào)。由于OPA695是一款具有超低輸入噪聲電壓信號的電流型運放，所以將其作為前級放大。LMH6502作為第二級放大電路可通過DA控制其增益大小，變化范圍為-40～20dB。最后一級經(jīng)OPA695進展信號的總體放大，使其總增益可到達60dB以上。調(diào)零電路使整個放大器最大程度的減小了直流偏移，并通過減小電源紋波和使用屏蔽線等方法將噪聲減小到最小。同時，放大器增益可預(yù)設(shè)，并可將增益同步顯示在LCD上。關(guān)鍵詞：射頻寬帶放大器;OPA695;LMH6502;調(diào)零電路DesignandresearchforgaincontrolofradiofrequencybroadbandamplifierXIEJun，SHENGQing?hua，MAOLi?jian〔SchoolofElectronicsInformation，HangzhouDianziUniversity，Hangzhou310018，China〕Abstract：TheRFbroadbandamplifieriscomposedofhighbandwidthoperationalamplifierOPA695andcontrollablegainamplifierLMH6502.Itcancontinuouslyadjustthegainfrom0dBto60dB.SincetheOPA695isacurrentoperationalamplifierwithultra?lowvoltage?inputnoise，itservesasapreamplifier.LMH6502，asthesecond?stageamplifier，canuseDAtocontrolthegainwhosevariationrangeis-40～20dB.ThefinalsignalisamplifiedbytheOPA695.Asaresult，thetotalgaincanreachtomorethan60dB.ZeroingcircuitreducestheDCoffsetoftheentireamplifiertothemaximumdegree，andreducesthenoisetotheminimumbyreducingthepowersupplyrippleandusingshieldedwireandothermethods.Meanwhile，theamplifier’sgaincanbepre?set，andcanbesynchronouslydisplayedonLCD.Keywords：radiofrequencybroadbandamplifier;OPA695;LMH6502;zeroingcircuit0引言隨著現(xiàn)代電子和通信技術(shù)的迅速開展，射頻寬帶放大器在通信領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，在挪動通信，雷達通信，信息對抗等領(lǐng)域現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用。它常常用于通信設(shè)備接收機的前端，將通信設(shè)備接收到的信號進展放大到適宜的功率然后送到傳感器進展信號的處理和分析。在射頻領(lǐng)域，傳統(tǒng)的放大器因頻帶窄、增益低等自身特點，往往無法應(yīng)用。為此，這里以德州儀器公司的LMH6502和OPA695為核心，設(shè)計一種射頻寬帶放大器，可對有效值不小于1mV的交流正弦信號進展放大，該射頻寬帶放大器的頻率為0.3～100MHz，增益可實現(xiàn)60dB范圍調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)精度高，實用性強，具有很重要的現(xiàn)實意義。1方案論證與比較1.1MCU選擇1.3可調(diào)增益放大器選擇方案一：VCA822是一款直流耦合型寬頻帶壓控增益放大器，按V/V線性變換，最大工作頻帶寬度可達150MHz。放大器增益由控制電壓和外圍電阻阻值共同決定，需雙極性電壓控制〔-1～1V〕，并且容易自激。1.4DAC控制可調(diào)增益放大器調(diào)節(jié)方式2理論分析與計算2.1寬帶放大器設(shè)計2.2頻帶內(nèi)增益起伏控制造成頻帶內(nèi)增益起伏的原因很多，其中包括運放幅頻響應(yīng)不平坦及供電電源不穩(wěn)定等。為了防止因為放大倍數(shù)過高而使起伏變大，所以我們將電路增加級數(shù)，將每一級的放大倍數(shù)變小，這樣可以滿足帶寬及增益要求且減小頻帶內(nèi)增益起伏。2.3射頻放大器穩(wěn)定性本系統(tǒng)為射頻寬帶放大器，頻率很高，并且放大倍數(shù)較大，為不影響帶寬，采用多級級聯(lián)，但是系統(tǒng)穩(wěn)定系易受影響，容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象。為了進步放大器的穩(wěn)定性，必需要將供電電壓濾波，否那么容易混入高頻噪聲，這里們通過屏蔽盒進一步對外界影響進展穩(wěn)固。系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要取決于系統(tǒng)的相位裕量，所以必需要留有適當(dāng)?shù)南辔辉Ａ?。在本系統(tǒng)中，將高頻信號部分全部采用雙面板印制，并且采用銅板大面積接地，減小接地回路，電容電阻全部采用貼片封裝，減小元器件影響。3電路與程序設(shè)計3.1系統(tǒng)組成系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)總體框圖3.2LMH6502增益可調(diào)模塊LMH6502的直流偏向有兩部分：共模Offset和差模Offset。如圖2所示，將Vin接GND，然后在Vg上輸入一個方波〔低電壓0V，高電壓2V〕，這樣增益就會在最大和最小之間變化。差模Offset會隨著增益放大和縮小，共模Offset不變。這樣就會看到方波。調(diào)節(jié)R10可以將方波部分減小到零，調(diào)節(jié)R14可以將方波下方的直流部分減小到零。由于Offset會隨增益變化，所以這個調(diào)節(jié)方法不能將Offset完全消除，只能最大抑制。不過高頻電路中常采用AC耦合，所以小的Offset不影響電路性能。另外，需要注意的是共模電壓要正確，共模電壓超出范圍會導(dǎo)致Offset異常。4測試方案與測試結(jié)果圖2LMH6502可調(diào)增益放大器圖4.1測試方案與測量結(jié)果測試方案：輸出級加上50Ω負(fù)載，將輸入端短接，測量輸出端噪聲峰峰值，調(diào)節(jié)放大器增益，測量不同帶寬，不同增益時的放大器的幅頻響應(yīng)。〔1〕通頻帶增益測量測試，如表1所示。結(jié)論：由上表可知，頻帶內(nèi)增益特性均到達要求。〔2〕最大電壓增益及最大增益起伏測試，如表2所示。表2通頻帶增益起伏特性〔3〕輸出電壓噪聲測量。將增益設(shè)置為60dB，輸入端短路到地，記錄輸出端電壓峰-峰值VONPP=93mV。〔4〕放大器輸入阻抗及負(fù)載的測量。電路的輸入阻抗為50.3Ω，電路的負(fù)載電阻為49.2Ω。4.2測試結(jié)果分析由測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)根本滿足題目中各項要求，系統(tǒng)可以完成各項指標(biāo)主要得益于選擇器件的準(zhǔn)確性。選擇高增益高帶寬運放和可調(diào)高增益可衰減器件LMH6502，并且采用多種抗干擾的措施，如使用了SMA頭作為輸入級，使用屏蔽盒進展信號屏蔽，嚴(yán)格遵循芯片廠商的布線意見。根據(jù)測試結(jié)果可知放大器的最大增益，最小輸入電壓，最大輸入電壓，最大輸出噪聲，帶負(fù)載才能等都到達了設(shè)計的要求。在進展個別項測試時由于空氣中以及各種儀器中存在的噪聲比較大，所以對前級放大電路做了屏蔽。5結(jié)語本設(shè)計是基于單片機MSP430G2553的射頻寬帶放大器，選擇了高增益寬帶運放OPA695和可控增益放大器LMH6502，通過單片機控制可實現(xiàn)0～60dB增益可調(diào)，并且滿足了0.3～100MHz頻率內(nèi)具有很好的平坦性。從測試結(jié)果來看，驗證該系統(tǒng)可行性和實用性。參考文獻[3]全國電子設(shè)計競賽組委會.全國大學(xué)生電子設(shè)計獲獎作品選編2003[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.[4]高桔祥.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽