射频宽带放大器设计报告

年4月19日射频宽带放大器设计报告文档仅供参考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AbstractAdoptingacombinationofwidebandvoltage-feedbackamplifierOPA690,voltage-controlledgainamplifier-VCA810,widebandcurrent-feedbackamplifierTHS3001,thesystemcanachieveaRF（RF-Radiofrequency）broadbandamplifierwithadjustablegain.Thesystemisconsistedoffourblocks:pre-amplifiercircuit,voltage-controlledgainamplifiercircuit,thelatteramplifiercircuit,MCUdisplaycontrolmodule.WithacoreofVCA810,theVGAcircuitcanachieve60dBofgainadjustmentrange.ApplyingTHS3001etc.amplifiergains1Vofmaximumeffectivevalue.Thewholesystemhasafeatureofstabledistortionlesswaveform,lownoiseandhighgainflatnesscompletethedesigntasks,boththebasicpartandextendedpart.Keywords:Radiofrequencyamplification、bandwidthamplification、voltagecontrolledgain、singlechipmicrocomputercontrol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 …………………….15系统方案方案比较与选择前置放大电路方案一：选用分立元件搭建电路，能够输出较大电压，但需采用多级高频电路，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。压控增益放大电路方案一：采用可编程放大器思想，经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，经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。后级放大电路方案一：采用晶体管单端推挽放大电路，经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，因此放弃此方案。方案二：选用多级运放实现放大，能够输出较高电压，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自激振荡，因此放弃此方案。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。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。放大后的信号经过VCA810再次进行放大，其中由单片机对VCA810输入-2～0V的控制电压以涵盖0～20dB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0～60dB的增益调节。液晶显示键盘控制单片机液晶显示键盘控制单片机示波器/高频毫伏表DAC(PCF8951)示波器/高频毫伏表DAC(PCF8951)UoUoUiUi信号源后级放大电路前置放大电路压控增益放大电路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-40～40dB，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的增高，放大器的增益会随之下降，经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，因此在运放的连接中，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。增益调整增益控制部分以VCA810为核心，其通频带为25MHz，增益调节范围为-40～40dB，输入控制电压为0～-2V,增益控制精确到±1.5dB。题目要求电压的最大增益要大于等于60dB，且在0～60dB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，因此，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-20～60dB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0～80dB。三、电路与程序设计电路设计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51Ω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560Ω和800Ω，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前置放大电路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0～20dB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50Ω的电阻。反馈电阻接入1.8kΩ，该放大电路的增益Av3=1+R16/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，因此软件设计比较简单。启动单片机后进入增益控制及显示界面，能够经过按键调节增益，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。开始开始系统初始化系统初始化功能键判断功能键判断输出数字信号输出数字信号转为模拟信号转为模拟信号控制步进增益控制步进增益结束结束图6软件流程图四、测试方案与测试结果测试仪器（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）EE1461DDS合成信号发生器(5)SP3060型数字合成扫频仪测试方法及数据（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放大器输入阻抗与输出阻抗电路设计的输入阻抗为50Ω，测得输出阻抗为50Ω。输出端噪声在Av≥60dB时，将输出端短接，输出端噪声电压的峰峰值UoNpp为90mV，达到UoNpp≤100mV的要求。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）1MHz5MHz8MHz12MHz15MHz1.002010.010.010.010.010.001.004010010010099990.0081.006010009999959879800.18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的幅频特性测试结果分析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0～60dB连续可调，波形也无明显失真，达到题目的指标要求。电路设计的输入阻抗等于50Ω，输出阻抗等于50Ω，满足题目的指标要求。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。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的其它。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，如果继续改进补偿电路，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，能够使噪声电压降到更低，进一步提系统的性能。附录：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70dB幅频特性图810dB幅频特性显示图920dB幅频特性显示图101MHz达到的峰峰值波形图图1120MHz不失真波形图3.总电路图4源程序#include<intrins.h>#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#definePCF85910x90 //PCF8591地址#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedinttypedefunsignedcharBYTE; //用BYTE代替unsignedchartypedefbitBOOL;//用BOOL代替bitBOOLlcd_bz();sbitLCD_RS=P2^6;//复位端sbitLCD_RW=P2^5; //写数据端sbitLCD_EP=P2^7; //使能端sbitK1=P1^0;sbitK2=P1^1;sbitSCL=P2^1; //串行时钟输入端sbitSDA=P2^0; //串行数据输入端voiddelay1(intms);voidlcd_wcmd(intcmd);voidlcd_pos(BYTEpos);voidlcd_wdat(BYTEdat);voidlcd_init();unsignedcharcodecdis1[]={"VOLTAGE:V"};unsignedcharcodecdis2[]={"GAIN:dB"};unsignedchardatadisplay1[]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};unsignedchardatadisplay2[]={0x00,0x00,0x00,0x00,0XFF};/****************延时函数************************/ voiddelay1(intms){ inti; while(ms--) { for(i=0;i<250;i++) { _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); } }}/****************测忙函数************************/ BOOLlcd_bz(){ BOOLresult; LCD_RS=0; LCD_RW=1; LCD_EP=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); result=(BOOL)(P0&0x80); LCD_EP=0; returnresult;}/****************写命令函数************************/voidlcd_wcmd_8bit(intcmd){ while(lcd_bz()); LCD_RS=0; 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