省赛 射频宽带放大器报告 最终报告

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，对其研究与设计是具有现实的意义与作用。1

2、.设计要求（1）系统的基础部分要求：输入电压有效值为Vi10 mV，输入与输出阻抗等于50 ，电压增益Av20 dB，且在020 dB可调；最大输出电压有效值Vo200 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Vi1 mV，电压增益Av60 dB，且在060 dB可调；最大输出电压有效值Vo1 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 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，

3、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 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

4、如图1所示：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。方案二：采用无源带通滤波电路。主要由无源元件R、L和C组成，以对某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

5、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，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

6、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.增益带宽积按照题目要求，信号通频带为0.3 kHz100 MHz，最大增益Av60 dB，则增益带宽积为，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

7、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

8、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AD603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

9、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益不能大于。由大信号频率响应图（见附录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触点的控制实现

10、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 图4 系统主流程图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的供电。键盘电路：本设计采用4*4矩阵键盘电路

11、，主要实现预置增益、5 dB增益步进、通频带选择以及增益调节方式选择等功能。显示电路：本系统使用彩屏显示电路实现带宽、增益和增益调节方式的显示，彩屏的驱动电路在模块内已有集成，且外围电路设计非常简单，占用较少的单片机I/O口。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。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

12、、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Vi和Vs，则有调整测试电压Vs使输出电压Vi=10 V,改变R的阻值，取多次测量的平均值。 表2 输入电阻测试表次数R/Vi/mVVs/mVRi/误差%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

13、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和带上负载时输出电压，则有 , 开关S断开测量空载电压，开关闭合测量输出电压，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/V/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

14、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）（4）增益调节测试。通过手动连续调节电压增益，在输入信号40 MHz的条件下，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VoNpp100 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/m

15、V（有效值）137.5147.9158.3184.9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等要求。不足之处在于未能实