省赛射频宽带放大器报告最终报告讲述

1、射频宽带放大器【本科组】摘 要：本设计以低功耗单片机 ATmega128为控制核心， 采用高宽带低噪声集成运放芯片 THS3202 和可控增益放大器 AD603 相结合的方式， 制作了一个电压增益可调的射频宽带放大器。 整个系统通过继电器在各衰减网络间进行切换， 并对直流漂移进行调零处理， 较好地实现了电压增益 060 dB 可调，输出信号波形无明显失真，且各项指标均达到或超过基础和发挥部分要求， 具有频带宽、噪声低、增益高、性能稳定等优点。关键词： ATmega128射频宽带运放可调增益一、引言射频宽带放大器在射频通信中具有重要作用， 它广泛应用于视频放大、 信号发射等电路，对其研究与设计是

2、具有现实的意义与作用。1. 设计要求（1）系统的基础部分要求：输入电压有效值为 V i 10 mV ，输入与输出阻抗等于 50 ? ，电压增益 A v20 dB，且在 020 dB 可调；最大输出电压有效值 V o200 mV。系统的通频带为 0.3 MHz10 MHz ，在 1 MHz15 MHz 的通频带内，电压增益起伏 1 dB。（2）系统的发挥部分要求：输入电压有效值为 V i 1 mV ，电压增益 A v 60 dB，且在 060 dB 可调；最大输出电压有效值 V o1 V 。系统的通频带为 0.3 MHz100 MHz ，在 1 MHz80 MHz 的通频带内，电压增益起伏 1

3、dB。系统在增益为 60 dB 时，输出噪声电压的峰峰值要 100 mV。2. 设计思路根据题目要求，放大器达到带宽 0.3 MHz100 MHz ，电压增益 060 dB 可调，关键在于抑制零点漂移和通频带的扩展， 因此放大器需采用多级交流耦合连接方式来实现。二、系统设计与方案论证1. 系统总体方案射频宽带放大器主要由固定增益放大、可控增益放大、衰减网络、 通频带选择等电路组成。输入信号经 50 ? 输入阻抗匹配后，通过固定增益放大、可控增益放大以及衰减网络实现增益 060 dB可调，再经通频带选择实现在 0.3 MHz20 MHz 和 0.3 MHz100 MHz 频带间切换，最后经 50

4、 ? 负载输出无明显失真的正弦波信号。整个系统采用低功耗单片机 ATmega128控制电压增益和通频带选择，自制线性稳压电源。总体设计框图如图 1 所示：彩屏显示矩阵键盘单片机控制信固定可控衰减通频带带载号增益增益网络选择输出源放大放大自制稳压电源图 1 系统总体设计框图2. 系统方案论证（1）通频带选择方案论证根据题意，为实现放大器频带在0.3 MHz20 MHz 和 0.3 MHz100 MHz 间可切换，需要选择滤波电路来实现，以下有两种方案可以实现：方案一：采用有源滤波电路。主要由集成运放和 R、C 组成，集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高， 输出电阻小， 构成有源滤波电路后具有一

5、定的电压放大和缓冲作用。 但集成运放带宽有限， 目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高，故难以实现题目 100 MHz 带宽要求。R、L 和 C 组成，以对某方案二：采用无源带通滤波电路。主要由无源元件次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路， 达到抑制高次谐波的作用； 由于静止无功补偿器 SVC（ Static Var Compensator）的调节范围要由感性区扩大到容性区，所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联可满足无功补偿、 改善功率因数、 消除高次谐波等问题。综合考虑，方案一无法实现题目发挥部分频带100 MHz 的要求，且方案二电路设计简单， 成本较低，电路高频特性好， 故选用方案二，

6、无源带通滤波电路。（2）固定增益放大电路方案选择本作品中，固定增益放大电路需满足增益大于 30 dB，系统各项指标才能够达到题目要求，为此，设计以下两种方案：方案一：采用分立元件搭建固定增益放大电路。 使用 NPN 型三极管 2SC3355 组成的共基极放大电路， 仅有电压放大作用，高频特性好，可用于高频或宽频带低输入阻抗的场合，但电路调试较为复杂，稳定性较低。方案二：采用集成芯片 THS3202，该芯片为电流反馈型，具有高带宽、低噪声等特点，且电路设计简单，精度较高，能够很好的实现题目要求。综上所述，考虑电路的难易程度以及低噪声、高带宽等要求选用方案二。三、理论分析与参数计算1. 增益带宽积

7、按照题目要求，信号通频带为0.3 kHz100 MHz ，最大增益 A v 60 dB，则60增益带宽积为 100MHz1020100GHz ，系统选用 THS3202 芯片的增益带宽积为2G，采用分级放大的方式使放大器整体增益超过60 dB，2. 抑制直流零点漂移本系统放大部分主要由固定增益电路、 可控增益电路组成， 由于系统为射频宽带放大器，所以各级之间采用电容耦合方式，另外，实际设计电路时，输出漂移较为明显，可采用放大电路反向级联输入，有效的抑制了零漂。3. 射频放大器的稳定性设计电路中多级高增益放大器一般会产生自激， 故系统在设计时， 除了采用负反馈电路保证稳定性之外， 模块电路间还使

8、用了同轴电缆， 并且采用屏蔽盒对系统进行多点屏蔽。实验证明，有效地增加了放大器的稳定性。4. 通频带内增益起伏控制本设计使用的可控增益芯片 AD603 的增益误差在 90 MHz 的通带内小于± 0.5 dB，THS3202 在 100 MHz 以下的起伏小于 0.1 dB,当增益为 30 dB 时，100 MHz 通频带内增益起伏小于 0.1 dB,且 THS3020 具 300 MHz 带宽的 0.1 dB 增益平坦度，均满足题目指标要求。5. 增益分配及调整本系统要求最大增益 60dB，固定增益设计为30 dB 时，结合可控增益电路实现系统增益手动连续可调。可控增益放大器采用A

9、D603 为核心，选取通频带为 90 MHz ，增益为 -10+30 dB 的典型接法（见附录 1），实现 2060 dB 可调，再利用一组衰减网络将增益衰减 30dB，实现系统在 060 dB 间可调。四、系统电路与程序设计1. 固定增益放大电路本系统的固定增益放大电路部分的增益设置为30dB，电路图如图2 所示，前级采用电压跟随器，具有缓冲、隔离功能，其同相输入端接50? 电阻至地，使输入电阻满足题目 50 ? 要求。考虑到本系统通频带为 0.3 MHz100 MHz ，输出噪声电压峰峰值 UoNpp 小于 100 mV，运算放大器选用低噪声高增益带宽积的双运放芯片 THS3202，其增益

10、带宽积为 2 GHz，为保证带宽， 故单级电路的放大倍数不能设置很高，故采用多级交流耦合放大电路来实现。图 2 固定增益放大电路增益带宽积：采用 THS3202 芯片，其开环增益带宽积为 2 GHz，为满足系统最大通频带为 100 MHz 的要求，由 THS3202 构成的单级闭环放大器的最大增增益带宽积= 2000 MH z = 20d B 。由大信号频率响应图（见益不能大于 A( dB ) =100 MH z100 MH z附录 2）可知，当单级闭环增益10 dB 时，通频带为 200 MHz，满足通频带带宽的设计要求。2. 通频带选择电路的设计通过对继电器 LS1 和 LS2 触点的控制

11、实现了系统通频带 1 MHz15 MHz 和 1 MHz80 MHz 两个范围预置且电压增益起伏小于 1 dB，如图 3 所示。系统默认选择 0.3 MHz20 MHz 通频带。通过键盘选择通频带，当单片机分别向三极管Q2 和 Q3 的基极送高电平时，继电器的触点动作，使输入信号 V2 经 100 MHz 的低通滤波器输出，即实现了预置 0.3 MHz100 MHz 的通频带。图 3 通频带选择网络3. 辅助电路设计电源电路：利用三端稳压器LM7815 、LM7915 、LM7805 和 LM7905 自制电源可提供± 5V、± 15V 的电压，满足各模块电路及单片机开始的

12、供电。键盘电路：本设计采用 4*4 矩阵键盘电路， 主要实现系统初始化预置增益、 5 dB 增益步进、通频带选择以及增益调节方键盘扫描式选择等功能。N显示电路：本系统使用彩屏显示电路实现带宽、 增益有键按下？和增益调节方式的显示， 彩屏的驱动电路在模块内已有集Y成，且外围电路设计非常简单， 占用较少的单片机 I/O 口。处理键值4. 系统程序设计本作品采用 ICCV7 for AVR 软件为开发平台， C 语言为程序设计语言，主函数流程图如图 4 所示。主函数循环中， 系统初始化后扫描键盘， 判断是否有键按下，根据键盘指令调节增益和选择通频带， 最后由彩屏显示，并返回再循环。增增通频益益带步预

13、选进置择彩屏显示图 4 系统主流程图五、系统测试与数据分析1. 测试条件与测试仪器系统测试需在室温且无强磁场干扰条件下进行，测试仪器设备如表1 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1数字示波器1LeCroy2函数信号发生器 EE164281南京新联电子设备有限公司3LY1211 频率特性测试仪1徐州龙宇电子仪器有限公司4数字万用表 UT58E1UNI-T2. 测试方法与结果（1）输入阻抗电路测试 。所示放大电路的输入电阻为 Ri ， R 为已知阻值的外接电阻，用毫伏表测出 V i 和 V s，则有RiViViViRI iVs Vi/ R VsVi调整测试电压 Vs 使输出

14、电压 Vi =10 V, 改变 R 的阻值，取多次测量的平均值。R/表 2 输入电阻测试表次数Vi/mVsi误差%V /mVR /19819.758.849.40.8%29819.358.448.43.2%39819.958.650.40.8%结论：由上表的测试结果得，输入电阻为49.4 ? ，基本满足输入阻抗 50 ?的要求。（见附录 4（图 1）（2）输出阻抗电路测试 。放大器输出电阻为 Ro，RL 为负载电阻，分别测出负载开路时的输出电压 Vo ' 和带上负载时输出电压 Vo ，则有VoRLVo ', RoVo ',Ro1 RLRLVo开关 S 断开测量空载电压

15、Vo ' ，开关闭合测量输出电压 Vo ，改变 RL 的阻值，取多次测量的平均值。（见附录 4（图 2）表 3 输出电阻测试表次数R/Vo ' /VVo /VRL/误差 73.4%25041220351.53.0%35040820947.64.8%结论：由上表的测试结果得，输出电阻为50.27? ，满足输出阻抗 50 ? 的要求。（3）最大输出正弦波电压有效值测试。输入端 Ui 加入频率为 5 MHz 的正弦波，在输入电压有效值为 20 mV，测得输出最大不失真正弦波电压有效值 Uo=400 mV 。（见附录 4（图 3）40 MHz 的（4）增益调节

16、测试。 通过手动连续调节电压增益，在输入信号条件下，完全达到 020 dB 调节的要求。（ 5）输出噪声测试。 增益调至 60 dB 档，输入端短路，测得输出电压峰 -峰值在89mV99mV 间波动，满足发挥部分要求 V oNpp100 mV。（6）频率特性测试。 因高频信号源不能保证在不同的频段内有相同的有效值，故在每次测试前，必须调节信号源有效值，使其稳定在20 mV ，再测量输出信号的幅值，由公式电压增益 = 20lg | Av |得实际电压增益，测试结果如表4 所示。表 4 频率特性测试表频率 /kHz300500700900输出 /mV（有效值）137.5147.9158.3184.

17、9增益 /dB16.717.319.719.3频率 /MHz151520输出 /mV（有效值）178.2205.2215.8140.7增益 /dB19.020.220.716.9结论：由上表测试结果得，当输入信号频率为300 kHz 1 MHz 时，系统增益有起伏；当输入信号的频率为1 MHz15 MHz时，电压增益起伏小于1 dB；当输入信号的频率大于 20 MHz 时，增益有所下降，但满足题目基本要求。 （见附录 4（图 4）六、结论本系统以 ATmega128为控制核心，基本达到题目要求，实现电压增益 60dB, 且在 060dB 范围内可调，当电压增益 60dB 时，输出噪声电压的峰峰值 0.1V，输入输出阻抗在 50? 左右，阻值误差 5%，系统的 3 dB 通频带在 115MHz 和 180MHz 之间变换内电压增益起伏 1 dB，最大输出正弦波有效值 1 V