1、李增益可控射頻放大器設計報告 增益可控射頻放大器D題 【參賽隊編號】 1 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，外加運放OPA847、THS3091配合，放大器的電壓增益從12dB到40dB以4dB為步長設定，控制誤差不大于2dB實現了輸出振幅可調的增益可控放大器。系統主要由四個模塊組成：前置放大電路、中間級程控放大電路、后級放大電路和電源模塊。在前級放大模塊中，用電壓反應型放大器OPA847進行固定增益放大，同時進行阻抗匹配和噪聲抑制；中間級采用VCA821進行程控增益控制，以實現高增益、寬帶寬和增益可變的平衡；后級利用反應型放大器THS3091進行放大；

2、電源模塊完成對各級電路的供電。經檢驗，本方案完成了全部根本功能和局部拓展功能。 關鍵詞：射頻放大器 增益可控 VCA821 OPA847 THS3091 1 設計目標 1放大器的電壓增益 Av40dB，輸入電壓有效值 Vi20mV， 其輸入阻抗、 輸出阻抗均為 50?， 負載電阻 50?，且輸出電壓有效值 Vo2V，波形 無明顯失真； 2 在 75MHz108MHz 頻率范圍內增益波動不大于 2dB； 3 3dB 的通頻帶不窄于 60MHz130MHz， 即 fL60MHz、 fH130MHz； 4實現 AV 增益步進控制，增益控制范圍為 12dB40dB， 增益控制步長為 4dB，增益絕對誤

3、差不大于2dB，并能顯示設定的增益值。 2系統論證與比擬系統根本方案 本系統主要由前級放大模塊模塊、中間級程控放大模塊、后級放大模塊、電源模塊組成，實現了增益可控的射頻放大，系統框圖如圖一所示。 I 圖一 系統總體框圖 2前級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算放大電路，提高放大倍數。 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，具有的增益帶寬積。 綜合比擬，由于方案一設計簡單，但容易產生自激振蕩，電路穩定性差。而OPA847具有噪聲電壓，同時具有的增益帶寬積，適合高倍數

4、的放大，更適合題目要求，應選擇方案二。 3中間級程控放大模塊的論證與選擇 方案一： 固定增益與電阻網絡衰減。通過前級放大電路進行固定增益放大，后 級由電阻網絡衰減，如電位器，實現 040dB 范圍內增益可調。 方案二：為了易于實現增益范圍052dB的調節，可以采用高速乘法器型D/A 實現，比方AD7420。利用D/A 轉換器的VRef 作信號的輸入端，D/A 的輸出端 做輸出。用D/A 轉換器的數字量輸入端控制傳輸衰減實現增益控制。 方案三：使用寬帶程控集成放大器，利用VCA821進行程控放大，VCA821在增 II 益為10dB時帶寬可到達710MHz,控制電壓在0V2V。 方案一中由于大量

5、分立元件的引入，使得電路復雜且穩定性差。方案二雖然簡單易行，精確度高，但查閱相關資料可知：轉化非線性誤差大，帶寬只有幾kHz，而且當信號頻率較高時，系統容易發生自激，因此未選此方案，方案三在增大可調范圍的同時，為了保證中間級有足夠大的帶寬，穩定性好。 綜合以上三種方案，應選擇方案三。 4后級放大模塊的論證與選擇 方案一：利用電流反應放大電路THS3901作為后級放大帶動負載，THS3901為電流反應放大電路，沒有嚴格的帶寬增益積適合高頻設計，其優點是輸出電壓大。 方案二：選用電流反應型放大器OPA693作為后級放大器，是目前最快的正負5V固定增益放大器，高達700MHz的帶寬。 綜合考慮上述兩

6、種方案，都能滿足帶寬要求，但因單電源供電電路較為簡單，減小放大倍數可以提高輸出電壓的品質，減小噪聲，故采用方案一。 2系統硬件設計及相關分析計算 2.1 增益帶寬積的分析 帶寬和增益存在一定關系：直流到由反應回路決定得主極點之間，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降低一半，運算放大器的3db寬頻率就是Fc放大器帶寬增益積BW*Au=C常數，所以設計電路時進行折衷選擇。題目要求通頻帶范圍為20HZ-5MHZ,增益大于等于40dB，即Gain>=100V, 故考慮多級放大器級聯。 假設放大電路的高頻響應用下面單極點函數表示： 1帶寬增益積GBP是衡量放大器性能的一個重要參

7、數。電壓反應型運放 A(jw)=Am/(1+/whjw); (2-1) 式中Am為放大器的中頻增益，w為角頻率，wh為上限角頻率，當引入正反應并假設反應網絡的反應系數與頻率無關的實數B時，那么有： Af(jw)=A(jw)/1+BA(jw); (2-2) 將式2-1代入式2-2中得 A Af?jw?=m1?AmB 1?jw (2-3) (1?AmB)wH? III 由此，反應中頻增益為Am=Am/(1+AmB),上限角頻率為W hf=Wh(1+AmB) 這說明引入負反應后，放大電路的上限頻率擴展了擴展程度與反應深度F有關。對本系統直流放大器，放大器下限角頻率為零赫茲，所以無饋時放大器通頻帶為B

8、W=fh接入正反應后，放大器通頻帶為 BWf=fHf=(1+AmB) Bw (2-4) 式24說明：引入負反應后放大器通頻帶擴展到無反應時的1+AmB倍。而且帶寬增益積為一常數。 改善系統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，如運放的擺率，驅動負載的能力小信號的放大后輸出信號的質量等。 3電路與程序設計前級放大電路 第一級的作用主要是進行阻抗匹配和噪聲抑制，所以信號輸入端加了50電阻接地進行匹配，并且使用屏蔽線連接信號源，從而到達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行濾波之外，還可以在芯片

9、的電源入口處加10UF的電容進行濾波。并且PCB布局和布線時，信號源盡量遠離電源地。圖二為OPA847的前級放大電路圖： 圖二 OPA847的前級放大電路圖中間級程控放大電路 中間級采用兩級串聯的VCA821，它在放大20 dB 時的帶寬仍可以到達320 MHz，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，帶寬會下降，綜合考慮題目的要求和需要，本設計將其配置成最大增益20dB的模式，從而使其帶寬到達260MHZ以上，增益在0-52dB之間可調。圖三為VCA821 IV 程控電路圖。 圖三 VCA824程控電路圖后級放大電路 后級采用THS3091，提供了一個易于使用的寬帶

10、，固定增益緩沖放大器，電路帶寬受增益影響較小，可以在放大的同時滿足帶寬要求，其帶寬主要受反應電阻的影響，考慮到電路的噪聲和及供電，我們采用正負5V對其供電，使THS3091的通頻帶較高。圖五為THS3091的后級放大電路： 圖四 OPA693的后級放大電路電源電路設計 穩壓電源采用通過變壓器、7812芯片7805芯片，將220V轉化為正12V和正負5V直流電源，給各級電路供電。 V軟件流程圖及程序 4電路測試與調試結果硬件軟件聯調 全部連加起來后，通過按鍵來控制步進增益，同時連接示波器以及信號發生器，觀察顯示波形及幅值。 4.2 測試條件與儀器 測試使用的儀器設備如表1所示。 表1 測試使用的

11、儀器設備 VI 4.3 測試結果及分析 測試結果數據如表2-表9所示： 1根本要求 表3 增益波動值 表4 -3dB的通頻帶寬 表5 增益步進控制 (2)發揮局部 VII 表8 -3dB的通頻帶寬 4.4 系統實現的功能 整機測試指標完全到達題目要求，具體見表10。因受競賽場地、實際環境等條件影響，各參數測試會因外界影響而略有誤差。 表10系統實現的功能 VIII 參考文獻 1全國大學生電子設計競賽組委會. 全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編19941995 2全國大學生電子設計競賽組委會. 全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編2001M. 3張毅坤、陳善久、裘雪紅編著. ?單片微型計算機原理及應用?. 西安電子科技大學出版社.1997. 4 全國大學生電子