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1、- 1 -2015 年全国大学生电子设计大赛论文【本科组】增益可控射频放大器设计报告2015 年 8 月 15 日- 2 -摘要 本系统基于对压控增益放大器 VCA824 的控制，由前级压控模块，后级放大 模块，键盘模块以及屏幕显示模块组成。此设计能实现对百兆信号的放大以及 程控增益步进放大。前级由 VCA824 和 DAC0832 组成，单片机控制 DAC0832 输出 电压变化改变 VCA824 的增益变化，由 VCA824 输出的信号经过后级放大 20dB 达 到有效值大于 2v 的输出，并且后级使用增益带宽积达到 1.6GHz 的 OPA657，可 以实现通频带大于 70M 的要求。本
2、系统还配备 STC90C516 单片机控制增益变化 以及键盘和显示模块。经验证，本系统基本实现了题目的要求。关键字：VCA824 DAC0832 电压反馈放大器 射频宽带放大 增益步进- 3 -一、系统方案论证 1.1 可控增益放大器的方案论证 方案一：采用多路开关选择器来选择所需放大倍数对应的运放的跨接电阻 来实现增益控制。由于题目要求增益以 4dB 变化，需要十几个个电阻才能达到 要求，而多路选择器使电路复杂，影响高频的频率特性，容易引起放大器的自 激。 方案二：采用场效应管或三极管控制增益。主要利用场效应管可变电阻区 （或三极管等效为压控电阻）实现增益控制，但由于题目要求的频带较高较难
3、实现，该方案又需要采用大量分立元件，电路复杂，稳定性差。 方案三：采用 VCA824 压控增益放大器，其特点是 dB 为单位变化，可以通 过单片机控制 DAC0832，进而控制 VCA824 的增益变化。该方案连线简单，并且 直观，智能并高效。 综上比较，为使电路直观，清晰，稳定，减少自激发生的可能性，采用数 字化控制的 VCA824. 1.2 射频放大器选择的方案论证 方案一：采用电压反馈放大器 OPA698。由于该放大器的增益带宽积为 450MHz，基本能满足要求，成本低。但由于本系统设计仅两级，固定放大器放 大 20dB，因此不能满足通频带要求。 方案二：采用电流反馈放大器 OPA691
4、，OPA2694，特别是 OPA2694 的电压 压摆率高达 4300V/us，在增益和大信号的调理中表现更好的带宽和失真度，但 是输入失调电流比较高，题目要求的 2dB 增益起伏难以实现。 方案三：采用电压反馈放大器 OPA657,该放大器的增益带宽积高达 1.6GHz，在 20dB 的放大倍数下，依然能满足通频带的要求。但该放大器的去补 偿的电压反馈放大器由于寄生电容过大会引起放大器的震荡，而手工焊接的板 子不能够保证寄生电容很小，难于调试，用 PCB 电路板有益于电路调试。 综上比较，为了满足通频带要求和尽量减少失真，选择方案三。系统理论分析与计算 2.1 增益调整 系统的增益调整由 V
5、CA824 实现，通过单片机控制 DAC0832 的输出电压变化 控制 VCA824 的增益变化。DAC0832 的参考电压f 选用 5v 直流源，则REFVDAC0832 的输出电压: 输入的数字量）(256REF OUTVVVCA824 的输出电压 ： INFGFINGGFOUTVRR RRVVRRV)(1式子中的FR、GR和1R均为 VCA824 外接电阻，其中INV为输入信号，GV为 控制该芯片增益变化的电压。 经过理论计算，基本能实现本系统所需的-8dB 到 20dB 的变化要求。2.2 放大器增益带宽积 运算放大器增益和带宽存在一定的关系。当放大倍数增大，则对应的带宽 会变窄，带宽
6、增益积 BWu A =常数- 4 -放大电路的高频响应：(j )/(1/)fmHAAj (2-1)式中为放大器的中频增益，为角频率， 为上限角频率。当引入负mAH反馈并假设反馈网络的反馈系数是与频率无关的实数 B 时，则有(j )(j )/(1(j )fAABA(2-2) 将式(2-1)代入式(2-2)得(2-3)/(1)(j )1/(1)mm f mHAA BAjA B由此可知，反馈中频增益为，上限角频率变为/(1)mfmmAAA BHf(2-4)(1)HfHmA B这说明引入负反馈以后，放大电路的上限频率扩展了，扩展程度与反馈深 度 F 有关。 对本系统直流宽带放大器，放大器下限角频率为零
7、赫兹，所以无反馈时放大器的通频带，引入负反馈后放大器通频带扩展到无反馈时的 HBWf倍。而且有(1)mA B(1)(1)m mffmm mAABWA BBWABWA B常数本系统选用的 OPA657，其增益带宽积高达 1.6GHz，能满足通频带的要求。 但依然需要考虑运放的摆率，驱动负载能力以及放大信号的质量等因素。2.3 放大器稳定性分析 各级之间均用阻容耦合，在两级之间使用电解电容两端并接高频瓷片电容 以避免高频增益下降，并且隔直。 将电源线以及数字信号线均加磁珠和电容。磁珠可滤除电流上的毛刺，电 容滤除较低频率的干扰。 在各级之间实现阻抗匹配，减少后面自激现象出现的可能性。数字地和模 拟
8、地严格分开，并且模拟地和数字地接于一点。2.4 频带内增益起伏控制 本系统后级固定增益放大，根据 OPA657 芯片手册提供，其增益为 10 倍时， 带宽高达 160MHz，可达到题目发挥部分要求“60MHz130MHz 范围波动”的指标 要求。- 5 -前级级使用压控放大器 VCA824，在一定频带内输出信号会有波动。根据 VCA824D 芯片手册提供，在压控电阻控制端进行频率补偿，可扩展信号频带， 使输出信号增益稳定，达到题目“波动2dB”指标。 电路与程序设计 3.1 电路的设计 经过上述的分析和论证，决定了系统各模块采用的最终方案如下： 控制模块：采用 STC90C516 单片机 电源
9、模块：采用两个双电源 增益调整模块：采用 DAC0832 和 VCA824 后级放大模块：采用 OPA657 电压反馈放大器 显示模块：采用液晶屏 LCD1602 键盘模块：采用两个单点键 系统的总体框图如图 3.1 所示：图 3.13.1.1 可控电压增益电路 可控增益电路我们采用 VCA824 和 DAC0832,并用单片机控制。为和后级的 20dB 搭配，我们控制 VCA824 的增益为-8dB 到 20dB，以满足题目要求的大于 40dB 的要求。具体电路如图 3.1.1 所示增益调整信号输入后级放大信号输出STC90C516键盘模块LCD 显示电源- 6 -图 3.1.1 3.1.2
10、 DAC0832 控制模块 我们采用单片机控制管脚高低电平变化来使 DAC0832 的输出电压发生变化， 进而控制 VCA824 的增益变化，具体电路如图 3.1.2 所示：3.1.3 后级放大模块 后级放大电路，一方面需要满足题目要求电压增益 Av40dB，另一方面为 了避免放大倍数过大而自激，引入干扰。末级放大电路应尽可能小但又必须达 到要求。为了电路直观清晰，因此我们选用 OPA657 作为末级放大电路的放大器， 由于其增益带宽积高达 1.6GHz，即使后级放大 20dB，带宽仍满足要求。具体电 路如图 3.1.3 所示：- 7 -图 3.1.3 四、测试方案与测试结果 4.1 测试仪器
11、 仪器名称：型号： 函数信号发生器SP1641B 数字示波器TDS1002B 直流电源+12v 稳压电源 4.2 测试方法 由信号源输出有效值为 20mv 的信号，调节频率变化和增益变化，分别观察 测试 VCA824 的输出电压和经后级放大输出的信号，采用点频法测量电路的幅频 特性，观察波动范围。 4.3 测试结果 测试数据 注：V=20mv 4.3.1 通频带测试频率 增益(dB) 60MHz70MHz75MHz80MHz012.0 mV12.3mV12.4mV12.5 mV 20109mV109 mV110 mV109mV 401.08V1.06V1.08mV1.07mV频率 增益(dB)
12、 85MHz90MHz100MHz110MHz012.1mV11.8mV11.7 mV10.4 mV 20110mV107 mV108 mV98mV 401.08V1.03V963mV975mV- 8 -4.3.2 步进增益测试测试结果分析：理论增益 （dB） 某频率 下实际 增益(dB) 12dB16dB20dB24dB70MHz13152123100MHz10111517误差2557理论增益 （dB） 某频率 下实际 增益(dB) 28dB32dB36dB40dB70MHz25313438100MHz20252932误差8758- 9 -4.4 测试结果分析 由此可见，在高频段增益持续下降
13、，并且误差大。其他都能接近预设的要 求。五、结论与系统改进措施1作品达到了题目所有基本和发挥部分的部分功能及指标的要求：（1）电压增益 Av20dB，输入电压有效值 Ui20mV。Av 在 1240dB 范 围内可调。 （2）最大输出正弦波电压有效值 Uo200mV，输出信号波形无明显失真。 （3）放大器 BW-3dB 的下限频率 fL60MHz，上限频率 fH130MHz，并要 求在 60M 到 130M 频带内增益起伏1dB。 （4）放大器的输入阻抗= 50 欧，输出阻抗= 50 欧 （5）本设计多使用集成芯片，以较低的成本实现了题目要求。 （6）电压增益 Av40dB，输入电压有效值 Ui2mV。Av 在 1240dB 范围 内可调。 本系统结构简单、性能良好，基本达到题目要求。尤其是前置放大电路放 大倍数可达 1000 倍，功率放大部分最大输出可达 50W 以上 ，数字幅频均衡部 分通过合理的算法很出色地完成了幅频均衡。 本系统的 FIR 滤波器主要是由于带阻网络的幅频特性决定的，若能找到随 频率变化很小的电感、电容，则完全可以由标称值的仿真数据来设计滤波器， 降低对实际网络幅频特性测试的繁琐性，加快设计周期。