2023射頻寬帶放大器設(shè)計(jì)報(bào)告

射頻寬帶放大器摘要：本系統(tǒng)采用寬帶電壓反應(yīng)運(yùn)放OPA690、壓控增益放大器VCA810以及寬帶電流反應(yīng)放大器THS3001結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了增益可調(diào)的射頻寬帶放大器。系統(tǒng)主要由四個(gè)模塊構(gòu)成：前置放大電路、壓控增益放大電路、后級(jí)放大電路、單片機(jī)顯示控制模塊。壓控增益放大電路以VCA810為核心，實(shí)現(xiàn)60dB的可調(diào)節(jié)范圍；使用THS3001等運(yùn)放進(jìn)行電壓放大使最大有效值到達(dá)1V；整個(gè)電路波形穩(wěn)定、無(wú)明顯失真，噪聲電壓小,通頻帶內(nèi)增益平坦，較好得完成了根本局部和發(fā)揮局部的要求。關(guān)鍵詞：射頻放大、寬帶放大、壓控增益、單片機(jī)控制AbstractAdoptingacombinationofwidebandvoltage-feedbackamplifierOPA690,voltage-controlledgainamplifier-VCA810,widebandcurrent-feedbackamplifierTHS3001,thesystemcanachieveaRF〔RF-Radiofrequency〕broadbandamplifierwithadjustablegain.Thesystemisconsistedoffourblocks:pre-amplifiercircuit,voltage-controlledgainamplifiercircuit,thelatteramplifiercircuit,MCUdisplaycontrolmodule.WithacoreofVCA810,theVGAcircuitcanachieve60dBofgainadjustmentrange.ApplyingTHS3001etc.amplifiergains1Vofmaximumeffectivevalue.Thewholesystemhasafeatureofstabledistortionlesswaveform,lownoiseandhighgainflatnesscompletethedesigntasks,boththebasicpartandextendedpart.Keywords:Radiofrequencyamplification、bandwidthamplification、voltagecontrolledgain、singlechipmicrocomputercontrol目錄一、系統(tǒng)方案…………………............41.1方案比擬與選擇…………………………........41.1.1前置放大電路………………………….........41.1.2壓控增益放大電路…………………........41.1.3后級(jí)放大電路…………………………........41.2方案描述…………………….........5二、理論分析與計(jì)算………………………...........62.1寬帶放大器設(shè)計(jì)………………………........62.2頻帶內(nèi)增益起伏控制………………………..62.3射頻放大器穩(wěn)定性……………62.4增益調(diào)整…………………………….6三、電路與程序設(shè)計(jì)…………………73.1電路設(shè)計(jì)…………………………….73.1.1前置放大電路與電路原理圖…………..73.1.2壓控增益放大電路與電路原理圖…………………..73.1.3后級(jí)放大電路與電路原理圖………………………...83.2程序的設(shè)計(jì)…………………………9四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果…………………….104.1測(cè)試儀器…………………………..104.2測(cè)試方法及數(shù)據(jù)……………..104.3測(cè)試結(jié)果及析……………………..………….11五、總結(jié)………………....12附錄1：元器件表……………………12附錄2：幅頻特性顯示與波形顯示............................................................................12附錄3：總電路圖……………………15附錄4：源程序…………………….15系統(tǒng)方案方案比擬與選擇前置放大電路方案一：選用分立元件搭建電路，可以輸出較大電壓，但需采用多級(jí)高頻電路，電路比擬復(fù)雜，工作點(diǎn)難于調(diào)整，容易產(chǎn)生自激振蕩，難以保證帶寬，故不選用此方案。方案二：使用多級(jí)放大器實(shí)現(xiàn)放大，采用同相輸入形式，多級(jí)放大電路的對(duì)數(shù)增益等于其各級(jí)對(duì)數(shù)增益的對(duì)數(shù)和。此方案原理簡(jiǎn)單，易于調(diào)試，能夠滿(mǎn)足題目中輸入阻抗和線(xiàn)性度的要求，應(yīng)選取此方案。綜上所述，選擇方案二。壓控增益放大電路方案一：采用可編程放大器思想，通過(guò)程序調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使A/D轉(zhuǎn)換器滿(mǎn)量程信號(hào)到達(dá)均一化，大大提高測(cè)量精度，但由于難以滿(mǎn)足高頻率的指標(biāo)，控制的數(shù)字量和電壓增益不成線(xiàn)性關(guān)系，故不采用此方案。方案二：采用程控電位器作為反應(yīng)電阻，由于電壓增益的調(diào)節(jié)范圍較大，需要電阻值的調(diào)節(jié)量很大，增加了電路的復(fù)雜程度，易影響分布的電容，造成電路的不穩(wěn)定，故放棄此方案。方案三：選用集成壓控放大器作為增益控制，其增益與控制電壓成線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)單片機(jī)輸出數(shù)字信號(hào)到D/A芯片轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的控制電壓，實(shí)現(xiàn)精確的數(shù)控，且外圍電路簡(jiǎn)單，便于調(diào)試，應(yīng)選用此方案。綜上所述，選擇方案三。后級(jí)放大電路方案一：采用晶體管單端推挽放大電路，通過(guò)多級(jí)深度負(fù)反應(yīng)擴(kuò)展通頻帶，級(jí)聯(lián)可用直接耦合方式，但直接耦合的多級(jí)放大電路調(diào)試繁瑣，電路不夠穩(wěn)定，且對(duì)電源電壓的要求較高，所以放棄此方案。方案二：選用多級(jí)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)放大，可以輸出較高電壓，但由于要與前置放大電路和壓控增益放大電路級(jí)聯(lián)，本身也要級(jí)聯(lián)，帶寬縮減，波形容易失真并產(chǎn)生自激振蕩，所以放棄此方案。方案三：選取單片集成寬帶運(yùn)算放大器。防止了本身級(jí)聯(lián)使得帶寬縮減，波形不易失真，且該方案電路較簡(jiǎn)單,容易調(diào)試,故采用本方案。綜上所述，選擇方案三。方案描述系統(tǒng)框圖如下列圖1所示，系統(tǒng)主要由四個(gè)模塊構(gòu)成：前置放大電路、壓控增益放大電路、后級(jí)放大電路、單片機(jī)顯示控制模塊。前級(jí)放大電路增益為20dB,由兩級(jí)OPA690組成，保證輸入阻抗匹配。放大后的信號(hào)通過(guò)VCA810再次進(jìn)行放大，其中由單片機(jī)對(duì)VCA810輸入-2～0V的控制電壓以涵蓋0～20dB的增益調(diào)節(jié)范圍。在壓控增益放大電路再接一級(jí)后級(jí)放大電路，設(shè)置后級(jí)放大電路的增益為20dB，整個(gè)電路就能實(shí)現(xiàn)0～60dB的增益調(diào)節(jié)。液晶顯示鍵盤(pán)控制單片機(jī)液晶顯示鍵盤(pán)控制單片機(jī)示波器/高頻毫伏表DAC(PCF8951)示波器/高頻毫伏表DAC(PCF8951)UoUoUiUi信號(hào)源后級(jí)放大電路前置放大電路壓控增益放大電路信號(hào)源后級(jí)放大電路前置放大電路壓控增益放大電路直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源圖1系統(tǒng)框圖二、理論分析與計(jì)算1.寬帶放大器設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的寬帶放大器主要表達(dá)在前置放大電路與后級(jí)放大電路，分別采用OPA690和THS3001兩種運(yùn)放。OPA690是寬頻帶、低溫漂運(yùn)放；THS3001是電流反應(yīng)運(yùn)放，其帶寬到達(dá)420MHz，兩者對(duì)單位增益穩(wěn)定都有很大作用。增益帶寬積一定，為了擴(kuò)展通頻帶，兩個(gè)電路的放大倍數(shù)均設(shè)置為20dB，加上中間壓控增益電路的可調(diào)節(jié)增益范圍-40～40dB，那么整個(gè)電路的增益調(diào)節(jié)范圍到達(dá)80dB。2.頻帶內(nèi)增益起伏控制隨著頻率的增高，放大器的增益會(huì)隨之下降，通過(guò)補(bǔ)償電容即在電阻兩端并聯(lián)電容〔如下列圖2所示〕，當(dāng)頻率增高時(shí)，阻抗減小，電路的放大倍數(shù)增加，從而實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償和增益補(bǔ)償，使信號(hào)在通頻帶內(nèi)的增益更加平坦，并調(diào)整反應(yīng)電阻，將放大器的增益在通頻帶內(nèi)的起伏降至最低。圖2電容補(bǔ)償圖3.射頻放大器穩(wěn)定性由于本系統(tǒng)放大倍數(shù)非常大，芯片的增益帶寬積越大越容易引起自激振蕩，所以在運(yùn)放的連接中，反應(yīng)電阻盡量靠近輸入引腳，接地端并聯(lián)旁路電容，級(jí)聯(lián)采用阻容耦合，布線(xiàn)要短且盡量減少?gòu)澱?。在輸入?jí)，將整個(gè)運(yùn)放用較粗的地線(xiàn)包圍，縮短地線(xiàn)回路，吸收高頻信號(hào)減少噪聲，增加電路的穩(wěn)定性。增益調(diào)整增益控制局部以VCA810為核心，其通頻帶為25MHz，增益調(diào)節(jié)范圍為-40～40dB，輸入控制電壓為0～-2V,增益控制精確到±1.5dB。題目要求電壓的最大增益要大于等于60dB，且在0～60dB內(nèi)可調(diào),而中間級(jí)采用的壓控增益放大器VCA810對(duì)輸入電壓和輸出電壓均有限制，所以，必須合理分配各級(jí)放大器的放大倍數(shù)。前置放大電路增益設(shè)置為20dB，那么前置放大電路和VCA810級(jí)聯(lián)可實(shí)現(xiàn)-20～60dB的增益調(diào)節(jié)范圍。由于輸入電壓有效值小于等于1mV，為了提高VCA810的輸入電壓和進(jìn)一步提高系統(tǒng)最高增益，VCA810下一級(jí)增加增益為20dB的后級(jí)放大電路，那么系統(tǒng)增益調(diào)節(jié)范圍為0～80dB。三、電路與程序設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)前置放大電路電路如下列圖3所示。設(shè)置前置放大電路，采用寬頻帶、低漂移運(yùn)放OPA690，在±5V雙電源供電下，組成二級(jí)級(jí)聯(lián)的同相寬帶放大器。在其同相輸入端并聯(lián)51Ω電阻到地，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。反應(yīng)電阻經(jīng)過(guò)屢次調(diào)試確定分別為560Ω和800Ω，反相輸入端阻抗那么由電阻與電容構(gòu)成，頻率增加，阻抗減小，而第一級(jí)同相電路的增益Av1為Av1=1+R4/Z1〔Z1為R1、R2、C1構(gòu)成的阻抗〕，從式中很容易看出增益也隨之增大。兩級(jí)之間采用一樣的電路網(wǎng)絡(luò)，第二級(jí)的增益Av2為Av2=1+R8/Z2(Z2為R5、R6、C4構(gòu)成的阻抗)，那么整個(gè)前級(jí)放大電路的增益為Av=Av1*Av2，實(shí)現(xiàn)20dB以上的放大。圖3前置放大電路壓控增益放大電路電路如下列圖4所示，系統(tǒng)壓控增益放大電路以VCA810為核心，其帶寬到達(dá)35MHz，增益-40dB至+40dB連續(xù)可調(diào)，最高的增益線(xiàn)性度為±0.3dB/V。采用單片機(jī)程控DA轉(zhuǎn)換輸出電壓，來(lái)控制VCA810的電壓增益，同時(shí)可手動(dòng)按鍵更改電壓增益。結(jié)合前級(jí)放大電路的增益20dB，整個(gè)電路那么實(shí)現(xiàn)0～20dB連續(xù)可調(diào)。圖4壓控增益放大電路〔3〕后級(jí)放大電路電路如下列圖5所示，與前置放大電路相似，采用寬帶電流反應(yīng)放大器THS3001在±5V雙電源供電下，構(gòu)成同相寬帶放大器，為了與輸出阻抗匹配，在輸出端串聯(lián)一個(gè)50Ω的電阻。反應(yīng)電阻接入1.8kΩ，該放大電路的增益Av3=1+R16/Z3〔Z3為R14、R15、C9構(gòu)成的阻抗〕，實(shí)現(xiàn)20dB以上的增益。圖5后級(jí)放大電路程序設(shè)計(jì)由于本環(huán)節(jié)中單片機(jī)只需具備控制增益和液晶顯示的功能，所以軟件設(shè)計(jì)比擬簡(jiǎn)單。啟動(dòng)單片機(jī)后進(jìn)入增益控制及顯示界面，可以通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)增益，步進(jìn)0.4dB，并將控制電壓和增益顯示在液晶屏上。如下列圖6為軟件流程圖。開(kāi)始開(kāi)始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化功能鍵判斷功能鍵判斷輸出數(shù)字信號(hào)輸出數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)控制步進(jìn)增益控制步進(jìn)增益結(jié)束結(jié)束圖6軟件流程圖四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果測(cè)試儀器〔1〕VC9802A+型數(shù)字式萬(wàn)用表〔2〕RS-1303DQ電源〔3〕GDS-815C數(shù)字存儲(chǔ)示波器〔4〕EE1461DDS合成信號(hào)發(fā)生器(5)SP3060型數(shù)字合成掃頻儀測(cè)試方法及數(shù)據(jù)〔1〕放大器最大增益與最小信號(hào)輸入端加1MHz正弦波，調(diào)節(jié)電壓和增益測(cè)得波形不失真最大輸出電壓有效值。輸入有效值:1mV預(yù)置增益:60dB輸出有效值:1V放大器輸入阻抗與輸出阻抗電路設(shè)計(jì)的輸入阻抗為50Ω，測(cè)得輸出阻抗為50Ω。輸出端噪聲在Av≥60dB時(shí)，將輸出端短接，輸出端噪聲電壓的峰峰值UoNpp為90mV，到達(dá)UoNpp≤100mV的要求。幅頻特性測(cè)試放大器寬帶預(yù)置100MHz顯示，最大起伏為0.98dB。測(cè)試數(shù)據(jù)如下表1，測(cè)試的采樣波形圖及幅頻特性見(jiàn)附錄2。輸入電壓〔mV〕增益〔dB〕輸出電壓〔mV〕帶內(nèi)最大起伏〔dB〕1MHz5MHz8MHz12MHz15MHz1.002010.010.010.010.010.001.004010010010099990.0081.006010009999959879800.18輸入電壓〔mV〕增益〔dB〕輸出電壓〔mV〕帶內(nèi)最大起伏〔dB〕20MHz40MHz60MHz80MHz100MHz1209.89.89.69.39.10.8214097969693900.921609739629479218930.98表1通頻帶為100MHz的幅頻特性測(cè)試結(jié)果分析放大器的最大增益大于60dB，輸入電壓的有效值小于1mV，最大的輸出有效值大于等于1V且增益在0～60dB連續(xù)可調(diào)，波形也無(wú)明顯失真，到達(dá)題目的指標(biāo)要求。電路設(shè)計(jì)的輸入阻抗等于50Ω，輸出阻抗等于50Ω，滿(mǎn)足題目的指標(biāo)要求。在增益大于60dB的前提下，噪聲電壓小于100mV，滿(mǎn)足題目對(duì)噪聲的指標(biāo)要求。在測(cè)試噪聲電壓時(shí)，由于測(cè)試環(huán)境中有大量的電子設(shè)備，干擾較大，屏蔽盒不夠完善，如果對(duì)整個(gè)電路加強(qiáng)屏蔽，噪聲電壓會(huì)更小。由表1知，通頻帶內(nèi)的電壓增益起伏小于1dB，3dB的帶寬也滿(mǎn)足題目所要的范圍，到達(dá)題目的指標(biāo)要求。由于示波器本身的儀器誤差，使得讀出的數(shù)據(jù)與理想的數(shù)據(jù)有些微出入，如果使用更為精密的儀器，讀出的數(shù)據(jù)將更為準(zhǔn)確?！?〕單片機(jī)顯示控制了電壓的增益，自制屏蔽罩大幅度減少了噪音，符合題目中發(fā)揮局部的其他。五、總結(jié)本設(shè)計(jì)圓滿(mǎn)地完成了根本局部的要求，較好地完成了題目發(fā)揮局部的要求，但仍存在一定的開(kāi)展空間。例如由于最后一級(jí)電路放大高頻特性的限制，如果繼續(xù)改善補(bǔ)償電路，可使通頻帶內(nèi)的增益起伏降低至0.5dB內(nèi)；另外，假設(shè)將電路板做成PCB板，合理的布局以及采用大面積覆銅等措施，可以使噪聲電壓降到更低，進(jìn)一步提系統(tǒng)的性能。附錄：元器件表射頻寬帶放大器元器件清單元件名稱(chēng)規(guī)格數(shù)量備注運(yùn)算放大器OPA6902VCA8101THS30011可調(diào)電阻10k1電路板22.幅頻特性顯示與波形顯示圖70dB幅頻特性圖810dB幅頻特性顯示圖920dB幅頻特性顯示圖101MHz到達(dá)的峰峰值波形圖圖1120MHz不失真波形圖3.總電路圖4源程序#include<intrins.h>#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#definePCF85910x90//PCF8591地址#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedinttypedefunsignedcharBYTE;//用BYTE代替unsignedchartypedefbitBOOL;//用BOOL代替bitBOOLlcd_bz();sbitLCD_RS=P2^6;//復(fù)位端sbitLCD_RW=P2^5;//寫(xiě)數(shù)據(jù)端sbitLCD_EP=P2^7;//使能端sbitK1=P1^0;sbitK2=P1^1;sbitSCL=P2^1;//串行時(shí)鐘輸入端sbitSDA=P2^0;//串行數(shù)據(jù)輸入端voiddelay1(intms);voidlcd_wcmd(intcmd);voidlcd_pos(BYTEpos);voidlcd_wdat(BYTEdat);voidlcd_init();unsignedcharcodecdis1[]={"VOLTAGE:V"};unsignedcharcodecdis2[]={"GAIN:dB"};unsignedchardatadisplay1[]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};unsignedchardatadisplay2[]={0x00,0x00,0x00,0x00,0XFF};/****************延時(shí)函數(shù)************************/voiddelay1(intms){inti;while(ms--){for(i=0;i<250;i++){_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}}}/****************測(cè)忙函數(shù)************************/BOOLlcd_bz(){BOOLresult;LCD_RS=0;LCD_RW=1;LCD_EP=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();result=(BOOL)(P0&0x80);LCD_EP=0;returnresult;}/****************寫(xiě)命令函數(shù)************************/voidlcd_wcmd_8bit(intcmd){while(lcd_bz());LCD_RS=0;LCD_RW=0;LCD_EP=0;_nop_();_nop_();P0=cmd;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LCD_EP=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LCD_EP=0;}/****************LCD寫(xiě)入命令函數(shù)********************/voidlcd_wcmd(intcmd){while(lcd_bz());LCD_RS=0;LCD_RW=0;LCD_EP=0;_nop_();_nop_();P0=cmd;//高4位傳入_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LCD_EP=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LCD_EP=0;P0=(cmd&0x0f)<<4;//低4位傳入_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LCD_EP=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LCD_EP=0;}/****************顯示位置設(shè)定函數(shù)******************/voidlcd_pos(BYTEpos){lcd_wcmd(pos|0x80);}/****************寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)************************/voidlcd_wdat(BYTEdat){while(lcd_bz());LCD_RS=1;LCD_RW=0;LCD_EP=0;P0=dat;//高四位傳入_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LCD_EP=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LCD_EP=0;LCD_RS=1;LCD_RW=0;LCD_EP=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();P0=(dat&0x0f)<<4;//低四位傳入_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LCD_EP=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LCD_EP=0;}/****************LCD初始化函數(shù)********************/voidlcd_init(){lcd_wcmd_8bit(0x38);delay1(1);lcd_wcmd_8bit(0x38);d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