2013射频宽带放大器设计报告

1、.射频宽带放大器摘 要：本系统采用宽带电压反馈运放OPA690、压控增益放大器VCA810以及宽带电流反馈放大器THS3001结合的方式，实现了增益可调的射频宽带放大器。系统主要由四个模块构成：前置放大电路、压控增益放大电路、后级放大电路、单片机显示控制模块。压控增益放大电路以VCA810为核心，实现60dB的可调节范围；使用THS3001等运放进行电压放大使最大有效值达到1V；整个电路波形稳定、无明显失真，噪声电压小,通频带内增益平坦，较好得完成了基本部分和发挥部分的要求。关键词：射频放大、宽带放大、压控增益、单片机控制Abstract Adopting a combination of w

2、ideband voltage-feedback amplifier OPA690, voltage-controlled gain amplifier-VCA810, wideband current-feedback amplifier THS3001, the system can achieve a RF（RF-Radio frequency）broadband amplifier with adjustable gain. The system is consisted of four blocks: pre-amplifier circuit, voltage-controlled

3、 gain amplifier circuit, the latter amplifier circuit, MCU display control module. With a core of VCA810, the VGA circuit can achieve 60dB of gain adjustment range. Applying THS3001 etc. amplifier gains 1V of maximum effective value. The whole system has a feature of stable distortionless waveform,

4、low noise and high gainflatness complete the design tasks, both the basic part and extended part.Keywords: Radio frequency amplification、bandwidth amplification、voltage controlled gain、single chip microcomputer control目录一、系统方案.41.1方案比较与选择.41.1.1前置放大电路.41.1.2 压控增益放大电路.41.1.3 后级放大电路.41.2方案描述.5二、理论分析与计

5、算.62.1 宽带放大器设计.62.2 频带内增益起伏控制.62.3 射频放大器稳定性62.4增益调整.6三、电路与程序设计73.1电路设计.73.1.1前置放大电路与电路原理图.73.1.2压控增益放大电路与电路原理图.73.1.3 后级放大电路与电路原理图.83.2程序的设计9四、测试方案与测试结果.104.1测试仪器.104.2 测试方法及数据.104.3 测试结果及析.11五、总结.12附录1：元器件表12附录2：幅频特性显示与波形显示.12附录3：总电路图15附录4：源程序.151、 系统方案1. 方案比较与选择（1） 前置放大电路方案一：选用分立元件搭建电路，可以输出较大电压，但需

6、采用多级高频电路，电路比较复杂，工作点难于调整，容易产生自激振荡，难以保证带宽，故不选用此方案。方案二：使用多级放大器实现放大，采用同相输入形式，多级放大电路的对数增益等于其各级对数增益的对数和。此方案原理简单，易于调试，能够满足题目中输入阻抗和线性度的要求，故选取此方案。综上所述，选择方案二。（2） 压控增益放大电路方案一：采用可编程放大器思想，通过程序调节放大倍数，使A/D转换器满量程信号达到均一化，大大提高测量精度，但由于难以满足高频率的指标，控制的数字量和电压增益不成线性关系，故不采用此方案。方案二：采用程控电位器作为反馈电阻，由于电压增益的调节范围较大，需要电阻值的调节量很大，增加了

7、电路的复杂程度，易影响分布的电容，造成电路的不稳定，故放弃此方案。方案三：选用集成压控放大器作为增益控制，其增益与控制电压成线性关系，通过单片机输出数字信号到D/A芯片转换出相应的控制电压，实现精确的数控，且外围电路简单，便于调试，故选用此方案。综上所述，选择方案三。（3） 后级放大电路方案一：采用晶体管单端推挽放大电路，通过多级深度负反馈扩展通频带，级联可用直接耦合方式，但直接耦合的多级放大电路调试繁琐，电路不够稳定，且对电源电压的要求较高，所以放弃此方案。方案二：选用多级运放实现放大，可以输出较高电压，但由于要与前置放大电路和压控增益放大电路级联，本身也要级联，带宽缩减，波形容易失真并产生

8、自激振荡，所以放弃此方案。方案三：选取单片集成宽带运算放大器。避免了本身级联使得带宽缩减，波形不易失真，且该方案电路较简单,容易调试,故采用本方案。综上所述，选择方案三。2. 方案描述 系统框图如下图1所示，系统主要由四个模块构成：前置放大电路、压控增益放大电路、后级放大电路、单片机显示控制模块。前级放大电路增益为20dB,由两级OPA690 组成，保证输入阻抗匹配。放大后的信号通过VCA810再次进行放大，其中由单片机对VCA810输入-20V的控制电压以涵盖020dB 的增益调节范围。在压控增益放大电路再接一级后级放大电路，设置后级放大电路的增益为20dB，整个电路就能实现060dB的增益

9、调节。液晶显示键盘控制单片机示波器/高频毫伏表DAC(PCF8951)UoUi信号源后级放大电路前置放大电路压控增益放大电路直流稳压电源 图1 系统框图二、理论分析与计算1.宽带放大器设计 本系统的宽带放大器主要体现在前置放大电路与后级放大电路，分别采用OPA690和THS3001两种运放。OPA690是宽频带、低温漂运放；THS3001是电流反馈运放，其带宽达到420MHz，两者对单位增益稳定都有很大作用。增益带宽积一定，为了扩展通频带，两个电路的放大倍数均设置为20dB，加上中间压控增益电路的可调节增益范围-4040dB，则整个电路的增益调节范围达到80dB。2.频带内增益起伏控制随着频率

10、的增高，放大器的增益会随之下降，通过补偿电容即在电阻两端并联电容（如下图2所示），当频率增高时，阻抗减小，电路的放大倍数增加，从而实现相位补偿和增益补偿，使信号在通频带内的增益更加平坦，并调整反馈电阻，将放大器的增益在通频带内的起伏降至最低。 图2 电容补偿图3.射频放大器稳定性 由于本系统放大倍数非常大，芯片的增益带宽积越大越容易引起自激振荡，所以在运放的连接中，反馈电阻尽量靠近输入引脚，接地端并联旁路电容，级联采用阻容耦合，布线要短且尽量减少弯折。在输入级，将整个运放用较粗的地线包围，缩短地线回路，吸收高频信号减少噪声，增加电路的稳定性。4. 增益调整 增益控制部分以VCA810为核心，其

11、通频带为25MHz，增益调节范围为-4040dB，输入控制电压为0-2V,增益控制精确到1.5 dB。题目要求电压的最大增益要大于等于 60dB，且在060dB内可调,而中间级采用的压控增益放大器 VCA810对输入电压和输出电压均有限制，所以，必须合理分配各级放大器的放大倍数。前置放大电路增益设置为 20dB，则前置放大电路和VCA810级联可实现-2060dB 的增益调节范围。由于输入电压有效值小于等于1mV，为了提高 VCA810 的输入电压和进一步提高系统最高增益，VCA810下一级增加增益为20dB 的后级放大电路，则系统增益调节范围为 080dB。三、电路与程序设计1. 电路设计（

12、1） 前置放大电路电路如下图3所示。设置前置放大电路，采用宽频带、低漂移运放OPA690，在5V双电源供电下，组成二级级联的同相宽带放大器。在其同相输入端并联 51电阻到地，实现阻抗匹配。反馈电阻经过多次调试确定分别为560和800，反相输入端阻抗则由电阻与电容构成，频率增加，阻抗减小，而第一级同相电路的增益Av1为Av1=1+R4/Z1（Z1为R1、R2、C1构成的阻抗），从式中很容易看出增益也随之增大。两级之间采用一样的电路网络，第二级的增益Av2为Av2=1+R8/Z2(Z2为R5、R6、C4构成的阻抗)，则整个前级放大电路的增益为Av=Av1*Av2，实现20dB以上的放大。图3 前置

13、放大电路（2） 压控增益放大电路电路如下图4所示，系统压控增益放大电路以VCA810为核心，其带宽达到35MHz，增益-40dB至+40dB连续可调，最高的增益线性度为0.3dB/V。采用单片机程控DA转换输出电压，来控制VCA810的电压增益，同时可手动按键更改电压增益。结合前级放大电路的增益20dB，整个电路则实现020dB连续可调。图4 压控增益放大电路（3）后级放大电路电路如下图5所示，与前置放大电路相似，采用宽带电流反馈放大器THS3001在5V双电源供电下，构成同相宽带放大器，为了与输出阻抗匹配，在输出端串联一个50的电阻。反馈电阻接入1.8k，该放大电路的增益Av3=1+R16/

14、Z3（Z3为R14、R15、C9构成的阻抗），实现20dB以上的增益。图5 后级放大电路2. 程序设计 由于本环节中单片机只需具备控制增益和液晶显示的功能，所以软件设计比较简单。启动单片机后进入增益控制及显示界面，可以通过按键调节增益，步进0.4dB，并将控制电压和增益显示在液晶屏上。如下图6为软件流程图。开始系统初始化功能键判断 输出数字信号转为模拟信号控制步进增益结束 图6 软件流程图四、测试方案与测试结果1. 测试仪器（1）VC9802A+型数字式万用表（2）RS-1303DQ电源（3）GDS-815C数字存储示波器（4）EE1461 DDS合成信号发生器 (5)SP3060型数字合成扫

15、频仪2. 测试方法及数据（1）放大器最大增益与最小信号输入端加1MHz正弦波，调节电压和增益测得波形不失真最大输出电压有效值。 输入有效值:1mV预置增益:60dB输出有效值:1V（2） 放大器输入阻抗与输出阻抗电路设计的输入阻抗为50，测得输出阻抗为50。（3） 输出端噪声在Av60dB时，将输出端短接，输出端噪声电压的峰峰值UoNpp为90mV，达到UoNpp100mV的要求。（4） 幅频特性测试放大器宽带预置100MHz显示，最大起伏为0.98dB。测试数据如下表1，测试的采样波形图及幅频特性见附录2。输入电压（mV）增益（dB）输出电压（mV）带内最大起伏（dB）1MHz5MHz8MH

16、z12MHz15MHz1.002010.010.010.010.010.001.004010010010099990.0081.006010009999959879800.18输入电压（mV）增益（dB）输出电压（mV）带内最大起伏（dB）20MHz40MHz60MHz80MHz100MHz1209.89.89.69.39.10.8214097969693900.921609739629479218930.98表1 通频带为100MHz的幅频特性3. 测试结果分析（1） 放大器的最大增益大于60dB，输入电压的有效值小于1mV，最大的输出有效值大于等于1V且增益在060dB连续可调，波形也无明

17、显失真，达到题目的指标要求。（2） 电路设计的输入阻抗等于50，输出阻抗等于50，满足题目的指标要求。（3） 在增益大于60dB的前提下，噪声电压小于100mV，满足题目对噪声的指标要求。在测试噪声电压时，由于测试环境中有大量的电子设备，干扰较大，屏蔽盒不够完善，如果对整个电路加强屏蔽，噪声电压会更小。（4） 由表1知，通频带内的电压增益起伏小于1dB，3dB的带宽也满足题目所要的范围，达到题目的指标要求。由于示波器本身的仪器误差，使得读出的数据与理想的数据有些微出入，如果使用更为精密的仪器，读出的数据将更为准确。（5）单片机显示控制了电压的增益，自制屏蔽罩大幅度减少了噪音，符合题目中发挥部分

18、的其他。五、总结 本设计圆满地完成了基本部分的要求，较好地完成了题目发挥部分的要求，但仍存在一定的发展空间。例如由于最后一级电路放大高频特性的限制，如果继续改善补偿电路，可使通频带内的增益起伏降低至0.5dB内；另外，若将电路板做成PCB板，合理的布局以及采用大面积覆铜等措施，可以使噪声电压降到更低，进一步提系统的性能。附录：1. 元器件表射频宽带放大器元器件清单元件名称规格 数量备注运算放大器OPA6902VCA8101THS30011可调电阻10k1电路板22.幅频特性显示与波形显示图7 0dB幅频特性图8 10dB 幅频特性显示图9 20dB幅频特性显示图10 1MHz达到的峰峰值波形图

19、图11 20MHz不失真波形图3.总电路图4源程序#include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define PCF8591 0x90 /PCF8591 地址 #define uchar unsigned char #define uint unsigned inttypedef unsigned char BYTE;/用BYTE代替unsigned char typedef bit BOOL; / 用BOOL代替bit BOOL lcd_bz();sbit LCD_RS = P26; /复位端

20、 sbit LCD_RW = P25; /写数据端sbit LCD_EP = P27; /使能端sbit K1=P10;sbit K2=P11;sbit SCL=P21;/串行时钟输入端 sbit SDA=P20;/串行数据输入端 void delay1(int ms);void lcd_wcmd(int cmd);void lcd_pos(BYTE pos);void lcd_wdat(BYTE dat);void lcd_init(); unsigned char code cdis1 =VOLTAGE: V;unsigned char code cdis2 =GAIN: dB;unsig

21、ned char data display1 =0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00;unsigned char data display2 =0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0XFF;/*延时函数*/void delay1(int ms) int i;while(ms-) for(i = 0; i 250; i+) _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /*测忙函数*/BOOL lcd_bz() BOOL result;LCD_RS = 0;LCD_RW = 1;LCD_EP = 1;_nop_();_nop_();_no

22、p_();_nop_();result = (BOOL)(P0 & 0x80); LCD_EP = 0;return result;/*写命令函数*/void lcd_wcmd_8bit(int cmd) while(lcd_bz();LCD_RS = 0;LCD_RW = 0;LCD_EP = 0;_nop_();_nop_(); P0 = cmd; _nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();LCD_EP = 1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LCD_EP = 0; /*LCD写入命令函数*/void lcd_wcmd(int cmd

23、) while(lcd_bz();LCD_RS = 0;LCD_RW = 0;LCD_EP = 0;_nop_();_nop_(); P0 = cmd; /高4位传入_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();LCD_EP = 1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LCD_EP = 0; P0 = (cmd&0x0f)4; /低4位传入_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();LCD_EP = 1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LCD_EP = 0; /*显示位置设定函数*/void

24、lcd_pos(BYTE pos) lcd_wcmd(pos | 0x80);/*写数据函数*/void lcd_wdat(BYTE dat) while(lcd_bz();LCD_RS = 1;LCD_RW = 0;LCD_EP = 0;P0 = dat ; /高四位传入_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();LCD_EP = 1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LCD_EP = 0; LCD_RS = 1;LCD_RW = 0;LCD_EP = 0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();P0 = (dat&

25、0x0f)0;x-) for(y=110;y0;y-); /*IIC开始函数*/ void start() SDA=1; delay(); SCL=1; delay(); SDA=0; delay(); /*IIC停止函数*/ void stop() SDA=0; delay(); SCL=1; delay(); SDA=1; delay(); /*IIC应答函数*/ void respons() uchar i; SCL=1; delay(); while(SDA=1)&(i250) i+; SCL=0; delay(); /*IIC初始化函数*/ void init() SDA=1; de

26、lay(); SCL=1; delay(); /*写入一字节函数*/void write_byte(uchar date) uchar i,temp; temp=date; for(i=0;i8;i+) temp=temp1; SCL=0; delay(); SDA=CY; delay(); SCL=1; delay(); SCL=0; delay(); SDA=1; delay(); /*写数据函数*/ void write_add(uchar control,uchar date) start(); write_byte(PCF8591); respons(); write_byte(control); respons(); write_byte(date); respons(); stop()