1、全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽射頻寬帶放大器射頻寬帶放大器主要內(nèi)容設(shè)計(jì)要求方案論證與比較系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案理論分析與計(jì)算系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果總結(jié)1. 設(shè)計(jì)要求1基本要求（1）電壓增益 Av 20dB ，輸入電壓，輸入電壓有效值 Ui 20m V。Av在 020dB 范 圍內(nèi)可調(diào)。（2）最大輸出正弦波 電壓有效值 Uo200mV，輸出信號(hào)波形無(wú)明顯失真 。（3）放大器 BW -3dB 的下限頻率 fL 0.3MHz ，上限頻率 fH20MHz ，并要求在 1MHz 15MHz 頻帶內(nèi)增益起伏 1dB 。（4）放大器的輸入阻抗 = 50，輸出阻抗 = 50。2發(fā)揮要求（1）電壓增益 Av 60dB ，輸入

2、電壓有效值 Ui 1 mV 。Av在 060dB范圍內(nèi)可調(diào)。（2）在 Av 60dB 時(shí)，輸出端噪聲電壓的峰值 100m V。（3）放大器 BW -3dB 的下限頻率 的下限頻率 fL 0.3MHz ，上限頻率 fH100MHz ，并要求在 1MHz 80MHz 頻帶內(nèi)增 益起伏 1dB 。該項(xiàng)目要求在 Av 60dB （或可達(dá)到的最高電壓增益點(diǎn)），最大輸出正弦波有效值 Uo 1V ，輸出信號(hào)波形無(wú)明顯失真條件下測(cè)試。（4）最大輸出正弦波電壓有效值 Uo 1V，輸出信號(hào)波形無(wú)明顯失真。（5）其他（例如進(jìn)一步提高放大器的增益、帶寬等）。oNppU2.方案選擇與論證軟件控制D/A實(shí)現(xiàn) 將輸入交流信

3、號(hào)作為高速D/A的基準(zhǔn)電壓，通過(guò)寫(xiě)控制字控制D/A改變D/A電阻網(wǎng)絡(luò)，作為運(yùn)放的反饋電阻從而改變放大增益。 缺點(diǎn)：控制字和增益的關(guān)系是指數(shù)關(guān)系而不是線性關(guān)系。利用AD835乘法器實(shí)現(xiàn)。 AD835帶寬250MHz，只需將DA輸出的直流信號(hào)作為一個(gè)乘法輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大或衰減。 缺點(diǎn)：AD835在通頻帶內(nèi)不夠平坦，且高頻時(shí)輸出噪聲較大。采用D/A控制VCA824配合繼電器實(shí)現(xiàn)。 VCA824帶寬420MHz，0.1dB帶寬135MHz，可控增益范圍-20dB-20dB，配合兩個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)可控增益放大范圍0 60dB。 控制電壓與輸出增益成線性關(guān)系，且VCA824的電壓控制精度非常高3.系統(tǒng)總

4、體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)以MSP430F449單片機(jī)為控制核心，硬件部分主要包括前級(jí)小信號(hào)放大、程控增益放大、后級(jí)功率放大和繼電器控制模塊。軟件部分主要包括VCA824壓控電壓的DAC輸出控制和繼電器選擇和切換控制以及按鍵和顯示，總體框圖如下:具體模塊設(shè)計(jì)具體模塊設(shè)計(jì)二、程控增益放大電路 程控增益放大電路是整個(gè)系統(tǒng)增益可調(diào)的主要部分，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)增益連續(xù)可調(diào)。在設(shè)計(jì)中采用了程控增益芯片VCA824，VCA824是一款寬帶，電壓線性，連續(xù)可變的電壓控制增益放大器。其增益最大調(diào)節(jié)范圍可以達(dá)到40db，信號(hào)帶寬可以達(dá)到420MHz。在本設(shè)計(jì)中，使用了20db的調(diào)節(jié)范圍(主要是為了提高調(diào)節(jié)的裕量) 單片機(jī)控制

5、的12位串行D/A TLV5616來(lái)實(shí)現(xiàn)控制電壓的直流輸出（0-1V，相應(yīng)的增益為0-20db）。具體電路如下：具體模塊設(shè)計(jì)三、后級(jí)功率放大電路 系統(tǒng)要求輸出負(fù)載50，輸出電壓有效值不低于1V。因此在設(shè)計(jì)中選擇了電流反饋型運(yùn)放THS3091，旨在增強(qiáng)系統(tǒng)帶負(fù)載的能力。THS3091帶寬可以達(dá)到180MHz，壓擺率為7300V/us，最大輸出電流可以達(dá)到250mA，完全滿足系統(tǒng)要求，實(shí)際測(cè)試當(dāng)輸出電壓有效值大于1V時(shí)，輸出波形無(wú)明顯失真。具體電路如下： 系統(tǒng)采用了電壓反饋和電流反饋運(yùn)算放大器。接下來(lái)就這兩種放大器的增益設(shè)置和穩(wěn)定性做理論分析。一、增益設(shè)置 1，正常工作頻帶內(nèi)，電壓反饋運(yùn)放的增益和

6、-3dB截止頻率表達(dá)式分別為： ， 即帶寬增益積為常數(shù)。所以電壓反饋運(yùn)放的-3dB帶寬位置受增益的影響，電壓增益增大時(shí)，帶寬成比例下降。在使用電壓反饋運(yùn)放時(shí)，要充分權(quán)衡電壓增益與帶寬的關(guān)系。cmvfcCgAf2cvfmcmcvfvfvfCAgfgfCjAAA2,2114.理論分析及計(jì)算 2，系統(tǒng)輸出需要驅(qū)動(dòng)50電阻，最大輸出電壓有效值不小于1V,則運(yùn)放輸出電流不小于20mA。本方案最后一級(jí)采用了THS3901，THS3091是一款電流反饋運(yùn)算放大器，其增益和-3dB截止頻率表達(dá)式分別為： 由上式可見(jiàn)，電流反饋運(yùn)放的增益和帶寬是相互獨(dú)立的，其-3dB帶寬位置僅受反饋電阻Rf的影響，因此選取合適的

7、反饋電阻非常重要，設(shè)計(jì)中采用的是官方推薦的電阻大小。cfccfvfvfCRfCfRjAA21,2114.理論分析及計(jì)算二、放大器穩(wěn)定性 設(shè)反饋放大器的穩(wěn)態(tài)頻率響應(yīng)為:其中， 為開(kāi)環(huán)增益函數(shù)， 為反饋函數(shù)。若在某一頻率 上，滿足環(huán)路增益為當(dāng) ，即環(huán)路增益為0db時(shí)， ，則 此時(shí)即使輸入信號(hào)為零，仍有某一頻率的信號(hào)輸出，即反饋放大器出現(xiàn)自激。要保證反饋放大器穩(wěn)定工作，必須使其遠(yuǎn)離自激狀態(tài)，這種遠(yuǎn)離程度可用相位裕量 表示，其定義式為 ，顯然，相位裕量越大系統(tǒng)越穩(wěn)定。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)電路中，應(yīng)預(yù)有足夠的相位裕量。)(1)()()(1)()(jTjAjBjAjAjAf)(jA)(jBosc1)()()(

8、oscjoscoscTejTjT1)(oscjT)(oscT)(oscfjA)(-1800oscT4.理論分析及計(jì)算 嘗試過(guò)在普通電路板上焊接電路，結(jié)果發(fā)現(xiàn)非常容易自激，最后決定采用PCB制作。利用Altium designer設(shè)計(jì)原理圖和PCB。比賽過(guò)程中由于時(shí)間和器材的限制，只能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部就地取材，將銅板改做成最基本的印制電路板，由于器材限制不能使用過(guò)孔、通孔、雙層板等，對(duì)本次設(shè)計(jì)增加了一定的難度。 PCB底層和頂層大面積鋪地，降低接地總線的分布阻抗，在每個(gè)運(yùn)放的電源管腳處用0.1uF和10uF的電容并聯(lián)去耦，同時(shí)使信號(hào)盡量在同一平面甚至是同一直線上，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低噪聲。 5. 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)5. 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)前級(jí)放大OPA8475. 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)程控放大VCA8245. 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)第一級(jí)放大THS3091第二級(jí)放大THS3091繼電器切換5. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)之實(shí)物圖5. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)之實(shí)物圖1.測(cè)試條件9K3.2GHz函數(shù)信號(hào)發(fā)生器：型號(hào)ROHDE &SCHWARZ SMBV100A500M數(shù)字存儲(chǔ)示波器：型號(hào)Tektronix TDS3052C2.測(cè)試結(jié)果 系統(tǒng)測(cè)試輸入輸出出阻抗為50， -3dB通頻帶 , 。在9KHz102MHz頻帶內(nèi)增益起伏小于1dB。本系統(tǒng)增益調(diào)節(jié)范圍0