可控射频放大器设计报告

PAGE1PAGE13增益可控射频放大器（D题）【参赛队编号】增益可控射频放大器（D题）摘要:本作品以压控增益放大器VCA821为核心，外加运放OPA847、THS3091配合，放大器的电压增益从12dB到40dB以4dB为步长设定，控制误差不大于2dB实现了输出振幅可调的增益可控放大器。系统主要由四个模块组成：前置放大电路、中间级程控放大电路、后级放大电路和电源模块。在前级放大模块中，用电压反馈型放大器OPA847进行固定增益放大，同时进行阻抗匹配和噪声抑制；中间级采用VCA821进行程控增益控制，以实现高增益、宽带宽和增益可变的平衡；后级利用反馈型放大器THS3091进行放大；电源模块完成对各级电路的供电。经检验，本方案完成了全部基本功能和部分拓展功能。关键词：射频放大器增益可控VCA821OPA847THS30911设计目标（1）放大器的电压增益Av≥40dB，输入电压有效值Vi≤20mV，其输入阻抗、输出阻抗均为50，负载电阻50，且输出电压有效值Vo≥2V，波形无明显失真；（2）在75MHz～108MHz频率范围内增益波动不大于2dB；（3）－3dB的通频带不窄于60MHz～130MHz，即fL≤60MHz、fH≥130MHz；（4）实现AV增益步进控制，增益控制范围为12dB～40dB，增益控制步长为4dB，增益绝对误差不大于2dB，并能显示设定的增益值。2系统论证与比较2.1系统基本方案本系统主要由前级放大模块模块、中间级程控放大模块、后级放大模块、电源模块组成，实现了增益可控的射频放大，系统框图如图一所示。 信号输出后级放大程控放大信号输入信号输出后级放大程控放大信号输入前级放大前级放大DA转换DA转换电源供电液晶显示STM32按键电源供电液晶显示STM32按键图一系统总体框图（2）前级放大模块的论证与选择方案一：采用TI公司提供的OPA820ID芯片，采用反相输入比例运算放大电路，提高放大倍数。方案二：采用OPA847芯片，具有超低输入电压电流噪声，超高增益带宽积，能够有效的抑制噪声，在放大10倍的情况下，具有3.9GHZ的增益带宽积。综合比较，由于方案一设计简单，但容易产生自激振荡，电路稳定性差。而OPA847具有0.85nv/Hz噪声电压，同时具有3.9GHZ的增益带宽积，适合高倍数的放大，更适合题目要求，故选择方案二。（3）中间级程控放大模块的论证与选择方案一：固定增益与电阻网络衰减。通过前级放大电路进行固定增益放大，后级由电阻网络衰减，如电位器，实现0~40dB范围内增益可调。方案二：为了易于实现增益范围0~52dB的调节，可以采用高速乘法器型D/A实现，比如AD7420。利用D/A转换器的VRef作信号的输入端，D/A的输出端做输出。用D/A转换器的数字量输入端控制传输衰减实现增益控制。方案三：使用宽带程控集成放大器，利用VCA821进行程控放大，VCA821在增益为10dB时带宽可达到710MHz,控制电压在0V~2V。方案一中由于大量分立元件的引入，使得电路复杂且稳定性差。方案二虽然简单易行，精确度高，但查阅相关资料可知：转化非线性误差大，带宽只有几kHz，而且当信号频率较高时，系统容易发生自激，因此未选此方案，方案三在增大可调范围的同时，为了保证中间级有足够大的带宽，稳定性好。综合以上三种方案，，故选择方案三。（4）后级放大模块的论证与选择方案一：利用电流反馈放大电路THS3901作为后级放大带动负载，THS3901为电流反馈放大电路，没有严格的带宽增益积适合高频设计，其优点是输出电压大。方案二：选用电流反馈型放大器OPA693作为后级放大器，是目前最快的正负5V固定增益放大器，高达700MHz的带宽。综合考虑上述两种方案，都能满足带宽要求，但因单电源供电电路较为简单，减小放大倍数可以提高输出电压的品质，减小噪声，故采用方案一。2系统硬件设计及相关分析计算2.1增益带宽积的分析带宽和增益存在一定关系：直流到由反馈回路决定得主极点Ｆｃ之间，带宽增益积恒定，在该频率以上，如果频率升高一倍增益就会降低一半，运算放大器的3db宽频率就是Fc放大器带宽增益积BW*Au=C常数，所以设计电路时进行折衷选择。题目要求通频带范围为20HZ-5MHZ,增益大于等于40dB，即Gain>=100V,故考虑多级放大器级联。假设放大电路的高频响应用下面单极点函数表示：带宽增益积（GBP）是衡量放大器性能的一个重要参数。电压反馈型运放A()=/(1+/);(2--1)式中为放大器的中频增益，w为角频率，为上限角频率，当引入正反馈并假设反馈网络的反馈系数与频率无关的实数B时，则有：()=A()/[1+BA()];(2--2)将式（2--1）代入式（2--2）中得=(2--3)由此，反馈中频增益为Am=Am/(1+AmB),上限角频率为Whf=Wh(1+AmB)这说明引入负反馈后，放大电路的上限频率扩展了扩展程度与反馈深度F有关。对本系统直流放大器，放大器下限角频率为零赫兹，所以无馈时放大器通频带为BW=接入正反馈后，放大器通频带为B==(1+B)B(2--4)式（2—4）表明：引入负反馈后放大器通频带扩展到无反馈时的（1+AmB）倍。而且带宽增益积为一常数。改善系统幅频特性不仅考虑带宽增益积就足够，还有其他因素的考虑，如运放的摆率，驱动负载的能力小信号的放大后输出信号的质量等。3电路与程序设计3.1前级放大电路第一级的作用主要是进行阻抗匹配和噪声抑制，所以信号输入端加了50Ω电阻接地进行匹配，并且使用屏蔽线连接信号源，从而达到阻抗匹配和抑制噪声的作用。而电路本身又必须具有高信噪比，并尽量减少噪声的带入，尤其是电源方面，除了采用在总电源入口端用大电容进行滤波之外，还可以在芯片的电源入口处加10UF的电容进行滤波。并且PCB布局和布线时，信号源尽量远离电源地。图二为OPA847的前级放大电路图：图二OPA847的前级放大电路图3.2中间级程控放大电路中间级采用两级串联的VCA821，它在放大20dB时的带宽仍可以达到320MHz，满足题目要求，其有多种配置方式，不同的配置方式随着最大增益的提高，带宽会下降，综合考虑题目的要求和需要，本设计将其配置成最大增益20dB的模式，从而使其带宽达到260MHZ以上，增益在0-52dB之间可调。图三为VCA821程控电路图。图三VCA824程控电路图3.3后级放大电路后级采用THS3091，提供了一个易于使用的宽带，固定增益缓冲放大器，电路带宽受增益影响较小，可以在放大的同时满足带宽要求，其带宽主要受反馈电阻的影响，考虑到电路的噪声和及供电，我们采用正负5V对其供电，使THS3091的通频带较高。图五为THS3091的后级放大电路：图四OPA693的后级放大电路3.4电源电路设计稳压电源采用通过变压器、7812芯片7805芯片，将220V转化为正12V和正负5V直流电源，给各级电路供电。3.5软件流程图及程序开始开始系统初始化系统初始化按键扫描按键扫描AD转换AD转换液晶显示液晶显示结束结束4电路测试与调试结果4.1硬件软件联调全部连加起来后，通过按键来控制步进增益，同时连接示波器以及信号发生器，观察显示波形及幅值。4.2测试条件与仪器测试使用的仪器设备如表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1DF1731SL1ATA型直流稳压电源1无2SDS1202DL数字存储示波器1300MHz3F120型函数发生器1无4UNI-TUT805A数字万用表1无4.3测试结果及分析测试结果（数据）如表2-表9所示：（1）基本要求表2输出电压增益值输入电压有效值输出电压有效值电压增益表3增益波动值输入频率波动值表4-3dB的通频带宽通频带宽表5增益步进控制增益步长绝对误差(2)发挥部分表6输出电压增益值输入电压有效值输出电压有效值电压增益表7增益波动值输入频率波动值表8-3dB的通频带宽通频带宽表9电压增益输入电压增益输出电压增益4.4系统实现的功能整机测试指标完全达到题目要求，具体见表10。因受竞赛场地、实际环境等条件影响，各参数测试会因外界影响而略有误差。表10系统实现的功能

功能实现情况实际性能

基本要求发挥部分其它

参考文献[1]全国大学生电子设计竞赛组委会.

全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（1994～1995）

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[6]塞尔吉奥•弗朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].西安：西安交通大学出版社.2010.

附录：附录1：电路原理图附录2：源程序目录TOC\o"1-3"\u第一章项目概要 11.1项目背景 11.2项目建设内容与工期 21.3投资估算和资金筹措 31.3.1投资估算 31.3.2资金筹措方案 31.4效益分析 41.4.1经济效益 41.4.2社会效益 51.4.3生态效益 5第二章项目区概况 62.1自然概况 62.2社会经济状况 8第三章项目建设的必要性和可行性 103.1项目区农业发展的制约因素 103.2项目建设的必要性 103.3项目建设的可行性 13第四章水资源评价及水利工程设施 144.1项目区水资源概况 144.2水利工程措施 14第五章规划设计 185.1指导思想 185.2选项原则 185.3建设标准 185.4道路建设 195.5建设规模 205.6规划布局 20第六章开发任务与开发原则 226.1开发任务 226.2开发原则 22第七章投资估算与资金筹措 247.1投资估算 247.2资金来源构成及筹措方案