可控射頻放大器設(shè)計(jì)報(bào)告

PAGE1PAGE13增益可控射頻放大器（D題）【參賽隊(duì)編號(hào)】增益可控射頻放大器（D題）摘要:本作品以壓控增益放大器VCA821為核心，外加運(yùn)放OPA847、THS3091配合，放大器的電壓增益從12dB到40dB以4dB為步長(zhǎng)設(shè)定，控制誤差不大于2dB實(shí)現(xiàn)了輸出振幅可調(diào)的增益可控放大器。系統(tǒng)主要由四個(gè)模塊組成：前置放大電路、中間級(jí)程控放大電路、后級(jí)放大電路和電源模塊。在前級(jí)放大模塊中，用電壓反饋型放大器OPA847進(jìn)行固定增益放大，同時(shí)進(jìn)行阻抗匹配和噪聲抑制；中間級(jí)采用VCA821進(jìn)行程控增益控制，以實(shí)現(xiàn)高增益、寬帶寬和增益可變的平衡；后級(jí)利用反饋型放大器THS3091進(jìn)行放大；電源模塊完成對(duì)各級(jí)電路的供電。經(jīng)檢驗(yàn)，本方案完成了全部基本功能和部分拓展功能。關(guān)鍵詞：射頻放大器增益可控VCA821OPA847THS30911設(shè)計(jì)目標(biāo)（1）放大器的電壓增益Av≥40dB，輸入電壓有效值Vi≤20mV，其輸入阻抗、輸出阻抗均為50，負(fù)載電阻50，且輸出電壓有效值Vo≥2V，波形無(wú)明顯失真；（2）在75MHz～108MHz頻率范圍內(nèi)增益波動(dòng)不大于2dB；（3）－3dB的通頻帶不窄于60MHz～130MHz，即fL≤60MHz、fH≥130MHz；（4）實(shí)現(xiàn)AV增益步進(jìn)控制，增益控制范圍為12dB～40dB，增益控制步長(zhǎng)為4dB，增益絕對(duì)誤差不大于2dB，并能顯示設(shè)定的增益值。2系統(tǒng)論證與比較2.1系統(tǒng)基本方案本系統(tǒng)主要由前級(jí)放大模塊模塊、中間級(jí)程控放大模塊、后級(jí)放大模塊、電源模塊組成，實(shí)現(xiàn)了增益可控的射頻放大，系統(tǒng)框圖如圖一所示。 信號(hào)輸出后級(jí)放大程控放大信號(hào)輸入信號(hào)輸出后級(jí)放大程控放大信號(hào)輸入前級(jí)放大前級(jí)放大DA轉(zhuǎn)換DA轉(zhuǎn)換電源供電液晶顯示STM32按鍵電源供電液晶顯示STM32按鍵圖一系統(tǒng)總體框圖（2）前級(jí)放大模塊的論證與選擇方案一：采用TI公司提供的OPA820ID芯片，采用反相輸入比例運(yùn)算放大電路，提高放大倍數(shù)。方案二：采用OPA847芯片，具有超低輸入電壓電流噪聲，超高增益帶寬積，能夠有效的抑制噪聲，在放大10倍的情況下，具有3.9GHZ的增益帶寬積。綜合比較，由于方案一設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但容易產(chǎn)生自激振蕩，電路穩(wěn)定性差。而OPA847具有0.85nv/Hz噪聲電壓，同時(shí)具有3.9GHZ的增益帶寬積，適合高倍數(shù)的放大，更適合題目要求，故選擇方案二。（3）中間級(jí)程控放大模塊的論證與選擇方案一：固定增益與電阻網(wǎng)絡(luò)衰減。通過(guò)前級(jí)放大電路進(jìn)行固定增益放大，后級(jí)由電阻網(wǎng)絡(luò)衰減，如電位器，實(shí)現(xiàn)0~40dB范圍內(nèi)增益可調(diào)。方案二：為了易于實(shí)現(xiàn)增益范圍0~52dB的調(diào)節(jié)，可以采用高速乘法器型D/A實(shí)現(xiàn)，比如AD7420。利用D/A轉(zhuǎn)換器的VRef作信號(hào)的輸入端，D/A的輸出端做輸出。用D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸入端控制傳輸衰減實(shí)現(xiàn)增益控制。方案三：使用寬帶程控集成放大器，利用VCA821進(jìn)行程控放大，VCA821在增益為10dB時(shí)帶寬可達(dá)到710MHz,控制電壓在0V~2V。方案一中由于大量分立元件的引入，使得電路復(fù)雜且穩(wěn)定性差。方案二雖然簡(jiǎn)單易行，精確度高，但查閱相關(guān)資料可知：轉(zhuǎn)化非線性誤差大，帶寬只有幾kHz，而且當(dāng)信號(hào)頻率較高時(shí)，系統(tǒng)容易發(fā)生自激，因此未選此方案，方案三在增大可調(diào)范圍的同時(shí)，為了保證中間級(jí)有足夠大的帶寬，穩(wěn)定性好。綜合以上三種方案，，故選擇方案三。（4）后級(jí)放大模塊的論證與選擇方案一：利用電流反饋放大電路THS3901作為后級(jí)放大帶動(dòng)負(fù)載，THS3901為電流反饋放大電路，沒(méi)有嚴(yán)格的帶寬增益積適合高頻設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓大。方案二：選用電流反饋型放大器OPA693作為后級(jí)放大器，是目前最快的正負(fù)5V固定增益放大器，高達(dá)700MHz的帶寬。綜合考慮上述兩種方案，都能滿足帶寬要求，但因單電源供電電路較為簡(jiǎn)單，減小放大倍數(shù)可以提高輸出電壓的品質(zhì)，減小噪聲，故采用方案一。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及相關(guān)分析計(jì)算2.1增益帶寬積的分析帶寬和增益存在一定關(guān)系：直流到由反饋回路決定得主極點(diǎn)Ｆｃ之間，帶寬增益積恒定，在該頻率以上，如果頻率升高一倍增益就會(huì)降低一半，運(yùn)算放大器的3db寬頻率就是Fc放大器帶寬增益積BW*Au=C常數(shù)，所以設(shè)計(jì)電路時(shí)進(jìn)行折衷選擇。題目要求通頻帶范圍為20HZ-5MHZ,增益大于等于40dB，即Gain>=100V,故考慮多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)。假設(shè)放大電路的高頻響應(yīng)用下面單極點(diǎn)函數(shù)表示：帶寬增益積（GBP）是衡量放大器性能的一個(gè)重要參數(shù)。電壓反饋型運(yùn)放A()=/(1+/);(2--1)式中為放大器的中頻增益，w為角頻率，為上限角頻率，當(dāng)引入正反饋并假設(shè)反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)與頻率無(wú)關(guān)的實(shí)數(shù)B時(shí)，則有：()=A()/[1+BA()];(2--2)將式（2--1）代入式（2--2）中得=(2--3)由此，反饋中頻增益為Am=Am/(1+AmB),上限角頻率為Whf=Wh(1+AmB)這說(shuō)明引入負(fù)反饋后，放大電路的上限頻率擴(kuò)展了擴(kuò)展程度與反饋深度F有關(guān)。對(duì)本系統(tǒng)直流放大器，放大器下限角頻率為零赫茲，所以無(wú)饋時(shí)放大器通頻帶為BW=接入正反饋后，放大器通頻帶為B==(1+B)B(2--4)式（2—4）表明：引入負(fù)反饋后放大器通頻帶擴(kuò)展到無(wú)反饋時(shí)的（1+AmB）倍。而且?guī)捲鲆娣e為一常數(shù)。改善系統(tǒng)幅頻特性不僅考慮帶寬增益積就足夠，還有其他因素的考慮，如運(yùn)放的擺率，驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力小信號(hào)的放大后輸出信號(hào)的質(zhì)量等。3電路與程序設(shè)計(jì)3.1前級(jí)放大電路第一級(jí)的作用主要是進(jìn)行阻抗匹配和噪聲抑制，所以信號(hào)輸入端加了50Ω電阻接地進(jìn)行匹配，并且使用屏蔽線連接信號(hào)源，從而達(dá)到阻抗匹配和抑制噪聲的作用。而電路本身又必須具有高信噪比，并盡量減少噪聲的帶入，尤其是電源方面，除了采用在總電源入口端用大電容進(jìn)行濾波之外，還可以在芯片的電源入口處加10UF的電容進(jìn)行濾波。并且PCB布局和布線時(shí)，信號(hào)源盡量遠(yuǎn)離電源地。圖二為OPA847的前級(jí)放大電路圖：圖二OPA847的前級(jí)放大電路圖3.2中間級(jí)程控放大電路中間級(jí)采用兩級(jí)串聯(lián)的VCA821，它在放大20dB時(shí)的帶寬仍可以達(dá)到320MHz，滿足題目要求，其有多種配置方式，不同的配置方式隨著最大增益的提高，帶寬會(huì)下降，綜合考慮題目的要求和需要，本設(shè)計(jì)將其配置成最大增益20dB的模式，從而使其帶寬達(dá)到260MHZ以上，增益在0-52dB之間可調(diào)。圖三為VCA821程控電路圖。圖三VCA824程控電路圖3.3后級(jí)放大電路后級(jí)采用THS3091，提供了一個(gè)易于使用的寬帶，固定增益緩沖放大器，電路帶寬受增益影響較小，可以在放大的同時(shí)滿足帶寬要求，其帶寬主要受反饋電阻的影響，考慮到電路的噪聲和及供電，我們采用正負(fù)5V對(duì)其供電，使THS3091的通頻帶較高。圖五為T(mén)HS3091的后級(jí)放大電路：圖四OPA693的后級(jí)放大電路3.4電源電路設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源采用通過(guò)變壓器、7812芯片7805芯片，將220V轉(zhuǎn)化為正12V和正負(fù)5V直流電源，給各級(jí)電路供電。3.5軟件流程圖及程序開(kāi)始開(kāi)始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化按鍵掃描按鍵掃描AD轉(zhuǎn)換AD轉(zhuǎn)換液晶顯示液晶顯示結(jié)束結(jié)束4電路測(cè)試與調(diào)試結(jié)果4.1硬件軟件聯(lián)調(diào)全部連加起來(lái)后，通過(guò)按鍵來(lái)控制步進(jìn)增益，同時(shí)連接示波器以及信號(hào)發(fā)生器，觀察顯示波形及幅值。4.2測(cè)試條件與儀器測(cè)試使用的儀器設(shè)備如表1所示。表1測(cè)試使用的儀器設(shè)備序號(hào)名稱(chēng)、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量備注1DF1731SL1ATA型直流穩(wěn)壓電源1無(wú)2SDS1202DL數(shù)字存儲(chǔ)示波器1300MHz3F120型函數(shù)發(fā)生器1無(wú)4UNI-TUT805A數(shù)字萬(wàn)用表1無(wú)4.3測(cè)試結(jié)果及分析測(cè)試結(jié)果（數(shù)據(jù)）如表2-表9所示：（1）基本要求表2輸出電壓增益值輸入電壓有效值輸出電壓有效值電壓增益表3增益波動(dòng)值輸入頻率波動(dòng)值表4-3dB的通頻帶寬通頻帶寬表5增益步進(jìn)控制增益步長(zhǎng)絕對(duì)誤差(2)發(fā)揮部分表6輸出電壓增益值輸入電壓有效值輸出電壓有效值電壓增益表7增益波動(dòng)值輸入頻率波動(dòng)值表8-3dB的通頻帶寬通頻帶寬表9電壓增益輸入電壓增益輸出電壓增益4.4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能整機(jī)測(cè)試指標(biāo)完全達(dá)到題目要求，具體見(jiàn)表10。因受競(jìng)賽場(chǎng)地、實(shí)際環(huán)境等條件影響，各參數(shù)測(cè)試會(huì)因外界影響而略有誤差。表10系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

功能實(shí)現(xiàn)情況實(shí)際性能

基本要求發(fā)揮部分其它

參考文獻(xiàn)[1]全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).

全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編（1994～1995）

[2]全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).

全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編（2001）[M].[3]張毅坤、陳善久、裘雪紅編著.《單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用》.西安電子科技大學(xué)出版社.1997.[4]全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編[M].北京：北京理工大學(xué)出版社.2007.

[5]黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽電路設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2006.

[6]塞爾吉奧?弗朗哥.基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社.2010.

附錄：附錄1：電路原理圖附錄2：源程序目錄TOC\o"1-3"\u第一章項(xiàng)目概要 11.1項(xiàng)目背景 11.2項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容與工期 21.3投資估算和資金籌措 31.3.1投資估算 31.3.2資金籌措方案 31.4效益分析 41.4.1經(jīng)濟(jì)效益 41.4.2社會(huì)效益 51.4.3生態(tài)效益 5第二章項(xiàng)目區(qū)概況 62.1自然概況 62.2社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況 8第三章項(xiàng)目建設(shè)的必要性和可行性 103.1項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的制約因素 103.2項(xiàng)目建設(shè)的必要性 103.3項(xiàng)目建設(shè)的可行性 13第四章水資源評(píng)價(jià)及水利工程設(shè)施 144.1項(xiàng)目區(qū)水資源概況 144.2水利工程措施 14第五章規(guī)劃設(shè)計(jì) 185.1指導(dǎo)思想 185.2選項(xiàng)原則 185.3建設(shè)標(biāo)準(zhǔn) 185.4道路建設(shè) 195.5建設(shè)規(guī)模 205.6規(guī)劃布局 20第六章開(kāi)發(fā)任務(wù)與開(kāi)發(fā)原則 226.1開(kāi)發(fā)任務(wù) 226.2開(kāi)發(fā)原則 22第七章投資估算與資金籌措 247.1投資估算 247.2資金來(lái)源構(gòu)成及籌措方案