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1、增益可控射频放大器（D题）【参赛队编号】 11增益可控射频放大器（D题）摘要: 本作品以压控增益放大器VCA821为核心，外加运放OPA847、THS3091配合，放大器的电压增益从12dB到40dB以4dB为步长设定，控制误差不大于2dB实现了输出振幅可调的增益可控放大器。系统主要由四个模块组成：前置放大电路、中间级程控放大电路、后级放大电路和电源模块。在前级放大模块中，用电压反馈型放大器OPA847进行固定增益放大，同时进行阻抗匹配和噪声抑制；中间级采用VCA821进行程控增益控制，以实现高增益、宽带宽和增益可变的平衡；后级利用反馈型放大器THS3091进行放大；电源模块完成对各级电路的供
2、电。经检验，本方案完成了全部基本功能和部分拓展功能。 关键词：射频放大器 增益可控 VCA821 OPA847 THS30911 设计目标（ 1）放大器的电压增益 Av40dB，输入电压有效值 Vi20mV， 其输入阻抗、 输出阻抗均为 50W， 负载电阻 50W，且输出电压有效值 Vo2V，波形 无明显失真； （ 2） 在 75MHz108MHz 频率范围内增益波动不大于 2dB； （ 3） 3dB 的通频带不窄于 60MHz130MHz， 即 fL60MHz、 fH130MHz； （ 4）实现 AV 增益步进控制，增益控制范围为 12dB40dB， 增益控制步长为 4dB，增益绝对误差不大
3、于2dB，并能显示设定的增益值。2系统论证与比较2.1系统基本方案本系统主要由前级放大模块模块、中间级程控放大模块、后级放大模块、电源模块组成，实现了增益可控的射频放大，系统框图如图一所示。 信号输出后级放大程控放大信号输入前级放大 DA转换 电源供电液晶显示STM32按键 图一 系统总体框图（2）前级放大模块的论证与选择方案一：采用TI公司提供的OPA820ID芯片，采用反相输入比例运算放大电路，提高放大倍数。方案二：采用OPA847芯片，具有超低输入电压电流噪声，超高增益带宽积，能够有效的抑制噪声，在放大10倍的情况下，具有3.9GHZ的增益带宽积。 综合比较，由于方案一设计简单，但容易产
4、生自激振荡，电路稳定性差。而OPA847具有0.85nv/Hz噪声电压，同时具有3.9GHZ的增益带宽积，适合高倍数的放大，更适合题目要求，故选择方案二。（3）中间级程控放大模块的论证与选择方案一： 固定增益与电阻网络衰减。通过前级放大电路进行固定增益放大，后 级由电阻网络衰减，如电位器，实现 040dB 范围内增益可调。方案二：为了易于实现增益范围052dB的调节，可以采用高速乘法器型D/A实现，比如AD7420。利用D/A 转换器的VRef 作信号的输入端，D/A 的输出端做输出。用D/A 转换器的数字量输入端控制传输衰减实现增益控制。方案三：使用宽带程控集成放大器，利用VCA821进行程
5、控放大，VCA821在增益为10dB时带宽可达到710MHz,控制电压在0V2V。 方案一中由于大量分立元件的引入，使得电路复杂且稳定性差。方案二虽然简单易行，精确度高，但查阅相关资料可知：转化非线性误差大，带宽只有几kHz，而且当信号频率较高时，系统容易发生自激，因此未选此方案，方案三在增大可调范围的同时，为了保证中间级有足够大的带宽，稳定性好。综合以上三种方案，故选择方案三。（4）后级放大模块的论证与选择方案一：利用电流反馈放大电路THS3901作为后级放大带动负载，THS3901为电流反馈放大电路，没有严格的带宽增益积适合高频设计，其优点是输出电压大。 方案二：选用电流反馈型放大器OPA
6、693作为后级放大器，是目前最快的正负5V固定增益放大器，高达700MHz的带宽。综合考虑上述两种方案，都能满足带宽要求，但因单电源供电电路较为简单，减小放大倍数可以提高输出电压的品质，减小噪声，故采用方案一。2系统硬件设计及相关分析计算2.1 增益带宽积的分析 带宽和增益存在一定关系：直流到由反馈回路决定得主极点之间，带宽增益积恒定，在该频率以上，如果频率升高一倍增益就会降低一半，运算放大器的3db宽频率就是Fc放大器带宽增益积BW*Au=C常数，所以设计电路时进行折衷选择。题目要求通频带范围为20HZ-5MHZ,增益大于等于40dB，即Gain=100V, 故考虑多级放大器级联。 假设放大
7、电路的高频响应用下面单极点函数表示：（1） 带宽增益积（GBP）是衡量放大器性能的一个重要参数。电压反馈型运放 A()=/(1+/); (2-1) 式中为放大器的中频增益，w为角频率，为上限角频率，当引入正反馈并假设反馈网络的反馈系数与频率无关的实数B时，则有： ()=A()/1+BA(); (2-2)将式（2-1）代入式（2-2）中得 = (2-3) 由此，反馈中频增益为Am=Am/(1+AmB),上限角频率为W hf=Wh(1+AmB)这说明引入负反馈后，放大电路的上限频率扩展了扩展程度与反馈深度F有关。对本系统直流放大器，放大器下限角频率为零赫兹，所以无馈时放大器通频带为BW=接入正反馈
8、后，放大器通频带为 B=(1+B) B (2-4)式（24）表明：引入负反馈后放大器通频带扩展到无反馈时的（1+AmB）倍。而且带宽增益积为一常数。改善系统幅频特性不仅考虑带宽增益积就足够，还有其他因素的考虑，如运放的摆率，驱动负载的能力小信号的放大后输出信号的质量等。3电路与程序设计3.1前级放大电路第一级的作用主要是进行阻抗匹配和噪声抑制，所以信号输入端加了50电阻接地进行匹配，并且使用屏蔽线连接信号源，从而达到阻抗匹配和抑制噪声的作用。而电路本身又必须具有高信噪比，并尽量减少噪声的带入，尤其是电源方面，除了采用在总电源入口端用大电容进行滤波之外，还可以在芯片的电源入口处加10UF的电容进
9、行滤波。并且PCB布局和布线时，信号源尽量远离电源地。图二为OPA847的前级放大电路图：图二 OPA847的前级放大电路图3.2中间级程控放大电路 中间级采用两级串联的VCA821，它在放大20 dB 时的带宽仍可以达到320 MHz，满足题目要求，其有多种配置方式，不同的配置方式随着最大增益的提高，带宽会下降，综合考虑题目的要求和需要，本设计将其配置成最大增益20dB的模式，从而使其带宽达到260MHZ以上，增益在0-52dB之间可调。图三为VCA821 程控电路图。 图三 VCA824程控电路图3.3后级放大电路 后级采用THS3091，提供了一个易于使用的宽带，固定增益缓冲放大器，电路
10、带宽受增益影响较小，可以在放大的同时满足带宽要求，其带宽主要受反馈电阻的影响，考虑到电路的噪声和及供电，我们采用正负5V对其供电，使THS3091的通频带较高。图五为THS3091的后级放大电路： 图四 OPA693的后级放大电路3.4电源电路设计 稳压电源采用通过变压器、7812芯片7805芯片，将220V转化为正12V和正负5V直流电源，给各级电路供电。3.5软件流程图及程序开始系统初始化 按键扫描AD转换液晶显示结束4电路测试与调试结果4.1硬件软件联调全部连加起来后，通过按键来控制步进增益，同时连接示波器以及信号发生器，观察显示波形及幅值。4.2 测试条件与仪器测试使用的仪器设备如表1
11、所示。表1 测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注1DF1731SL1ATA型直流稳压电源1无2SDS 1202DL数字存储示波器1300MHz3F120型函数发生器1无4UNI-TUT805A数字万用表1无4.3 测试结果及分析测试结果（数据）如表2-表9所示：（1）基本要求 表2 输出电压增益值输入电压有效值输出电压有效值电压增益 表3 增益波动值输入频率波动值 表4 -3dB的通频带宽通频带宽表5 增益步进控制增益步长绝对误差(2)发挥部分 表6 输出电压增益值输入电压有效值输出电压有效值电压增益 表7 增益波动值输入频率波动值表8 -3dB的通频带宽通频带宽表9 电压增益输入电
12、压增益输出电压增益4.4 系统实现的功能整机测试指标完全达到题目要求，具体见表10。因受竞赛场地、实际环境等条件影响，各参数测试会因外界影响而略有误差。表10系统实现的功能功能实现情况实际性能基本要求发挥部分其它 参考文献1全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（19941995）2全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2001）M.3张毅坤、陈善久、裘雪红编著. 单片微型计算机原理及应用. 西安电子科技大学出版社.1997.4 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编M. 北京：北京理工大学出版社.2007.5 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计M.北京： 北京航空航天大学出版社.2006.6 塞尔吉奥弗朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计M.西安：西安 交通大学出版社. 2010.附录：附录1：电路原理图附录2：源程序