增益可控射频放大器

12015年增益可控射频放大器论文摘要：本作品由德州仪器公司所生产的OPA847、VCA821、OPA2596、THS3201为主要器件，设计并制作了0~52dB全增益范围内-3dB通频带为60MHz-130MHz。放大器输入输出阻抗均为50欧姆。在输出端接50欧负载时，频带在50MHz-160MHz范围内，最大不失真有效值为2V，75-108MHz带内波动不大于2dB.实测结果表明，该作品成功实现题目要求的功能，多项指标优于题目要求。关键字：OPA847；VCA821；程控步进增益；宽带放大Abstract:ThisradiofrequencybroadbandamplifierisdesignedbasedonTexasInstruments(TI)amplifiersOPA847,VCA821,OPA2596andTHS3201whichhasaprogrammablegainover0~52dBwitha-3dBbandwidthof60MHzto130MHz,anda3dBbandwidthofover200MHz,havinganinputandoutputimpendencedesignedtobe50ohms.Themaximumoutputvoltagewithoutdistortionis2Vrmswitha50ohmloadandwithin1dBbandwidth.Themaximumgainisover52dBwithanin-bandgainerrorlessthan2dB.Measurementssuggestedthatourdevicehasreachedallrequirementofthesubject,andsomeindexesevensurpassthecriteriathecompetitiondemands.21系统构成与各子模块方案1.1前级放大模块方案的论证与选择方案一：使用OPA657作为第一级放大，该芯片有1.6GHz的增益带宽积。但是输入噪声电压为4.8nV/√Hz。方案二：使用OPA687做第一级放大，它具有较高的13.8GHz的增益带宽积，0.95nV/√Hz的输入电压噪声,900V/us的压摆率。方案三：使用OPA847作为第一级放大，它具有超高的3.9GHz的增益带宽积，0.85nV/√Hz的输入噪声电压，950V/us的压摆率。经实践对比我们发现，为了满足题目提出的低噪声要求，从第一级开始就需要抑制噪声，所以因选用低输入噪声、高压摆率的芯片。OPA847的输入噪声电压最低，可以有效的压制噪声，它的压摆率也最高，而且也可以得到6dB的电压放大倍数。所以综上所述选择方案三。1.2可控增益放大器方案的论证与选择方案一：采用精密的电位器改变放大器的反馈电阻来实现增益可调采用如OPA820，在+2倍增益时其增益带宽积240MHz。但是这样会给电路系统带来干扰，而且在频率很高的时候，电位器会产生电容效应，使得增益不够平坦。方案二：采用VCA821和VCA820可变增益放大器，其中VCA821具有710MHz的小信号带宽，2500V/us的压摆率。VCA820具有150MHz的小信号带宽，1700V/us的压摆率。综合以上两种方案选择，为兼顾性价比和高频信号等问题，选择方案二。1.3末级电压放大模块的论证与选择本级采用X级OPA2995、THS3201作为功率放大，它是电流反馈放大电路，其优点是电路带宽受增益的影响小，可以在满足放大的同时，满足带宽的需求，带宽主要受反馈电阻的影响，因此我们根据芯片手册上的电路对其外围电路进行设计，考虑到电源限制，采用正负5V进行供电，使系统通频带较高。经过几次尝试，选择增益为40倍，带宽超出180MHz.且带内平坦度较好，能够满足题目的带载能力。系统框图如下：3前级放大模块OPA847可控增益放大模块两级VCA821级联电源末级放大模块OPA2695与THS3201级联Stm32f103单片机供电供电供电控制LCD显示2系统的理论分析与计算2.1放大器增益带宽积分析系统调整主要由压控放大器VCA821实现。设置VCA821最大增益为5倍，通过调节压控端电压调节增益。其表达式为：选取，则增益为：，控制在-1~1V范围内变化，可调节增益在0.05~5V/V变化。2.2增益分配的计算根据题目中的基本要求增益在12dB～40dB，增益步长为4dB的增益步进控制。频率范围为50MHz～160MHz。单级放大甚至是两级放大都是难以实现的，所以我们选择4级级联的方式，最终实现电压增益Av≥40dB的目标。第一级输出实现11倍的放大，可变增益放大实现程控增益的放大。2.3带宽计算通过方案论证，宽带放大器采用集成运放实现。题目发挥部分要求输入信号有效值时，输出电压有效值，即峰峰值为，频率为100MHz时下降3dB，则末级运放压摆率为：同时，题目要求电压增益，输入信号频率为100MHz，则若采用单级4放大，要求运放增益带宽积为：目前运放无法实现单级放大60dB，因此本系统采用多级放大实现60dB增益可调。前级采用固定增益，由宽带高压摆率运放OPA847实现10倍增益。中间级通过压控放大器VCA824实现增益可调。2.4频带内增益起伏的控制根据题目要求整个系统至少满足在75MHz～108MHz范围内增益波动不大于2dB,由于本系统是X级级联的结果，并且每一级都可以单独工作，所以要保证每一级的最大的增益波动小于2dB。此外，在各级共同工作时，系统的总的增益曲线为各个模块的叠加。考虑最极端的情况，即各部分的最大增益波动的地方为同一个位置。在这种情况下要保证各级最大的增益波动小于2除以级数才能满足题目的要求。为了排除其他因素的影响，我们选用的芯片都是输入电压噪声极低的芯片。应该尽可能降低在75MHz～108MHz通带内的波动，必要时需要通过调整电路结果或外接LC网络进行一定的增益补偿。通过上述合理的分配各级增益，使得各级带宽满足要求，四级级联。2.5输入输出阻抗设置题目要求系统的输入和输出阻抗都为50Ω，对于交流信号第一级运算放大器输入端使用50Ω电阻连接到地，如图2.3所示。输出阻抗在输出级放大器输出端串接50Ω电阻即可。如图1所示。图13电路与程序设计3.1电路总体设计由前级放大电路模块，程控增益模块，末级放大电路模块组成，详见附录1。3.2程序总体设计程序模块主要由键盘DAC输出和显示构成3.2.1程序功能描述与设计思路采用stm32f103ZET6单片机，通过扫描键盘键值来控制DAC输出的特定线性分布电压实现增益步进并且将增益值和DAC输出电压值显示在LCD屏幕上。4测试方案与测试结果4.1测试方案方法5系统调试原则：根据电路原理现调试个单元电路，然后再整机测量。（1）电路仿真与级联调试运用仿真软件对每一集电路进行电路仿真，调整参数，达到要求后制作单层PCB板电路，焊接并进行单级测试，包括是否达到预定增益指标，增益起伏是否达到要求等。（2）成功后进行4级级联，整体测试，得出结果进行调整后再固化电路布局，最后装箱调试。4.2测试条件与测试仪器表4-2测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量精度1数字万用表13位半2DG4162函数信号发生器1300MHz354642A示波器1500MHz测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路与系统原理图完全相同。检查无误，各元件参数选择合适，硬件电路无虚焊、接错、短路。4.3测试结果及分析4.3.1基本功能测试我们按照调试步骤，逐一实现各功能。并将实验结果以表格形式汇总。如下表所示。5设计总结可以写我们都完成了哪些指标本设计通过多级放大电路，实现了增益可控的射频宽带放大器，该放大器具有高带宽，增益可步进等特点，满足了题目的基本需求。6参考文献：按文中引用次序列出[1]黄智伟.射频小信号放大器电路设计.西安:西安电子科技大学出版社，2008[2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，2006[3]张诚.电子系统设计——电路篇.北京：北京航空航天大学出版社，2012附录1：电路原理图OPA2695电路图INA-1INA+2INB+3INB-4OUTB5VS+6VS-7OUTA8U1OPA269550R156.2R2402R350R8GNDJ1J3GNDGNDVCCVEEFB1FB20.1uFC10.1uFC26.8uC36.8uC4GNDGND0.01uFC5VS-VS+VS+VS-123P1VCCVEEGNDGNDVCC1VG2VIN+3RG+4RG-5VIN-6VEE7VEE8VREF9VOUT10GND11FB12NC13VCC14U1VCA821J1J250R1200RG50R220R450R31KRFVEEGNDGND5KR8GNDVCCGNDGNDGNDGND0.1uFC10.1uFC20.1uFC3GNDFB1FB24.7uC44.7uC5GNDGNDVS+VS-VS-VS+123P1VCCGNDVEEVS+7VCA821电路图OPA847电路图THS3201电路图