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增益可控射频放大器设计
摘要：
本作品由德州仪器公司所生产的OPA847、VCA821、OPA2596、THS3201为主要器件，设计并制作了0~52dB全增益范围内-3dB通频带为60MHz-130MHz。放大器输入输出阻抗均为50欧姆。在输出端接50欧负载时，频带在50MHz-160MHz范围内，最大不失真有效值为2V，75-108MHz带内波动不大于2dB.实测结果表明，该作品成功实现题目要求的功能，多项指标优于题目要求。
Abstract:
This radiofrequency broadband amplifier is designed based on Texas Instruments (TI) amplifiers OPA847,VCA821,OPA2596 and THS3201 which has a programmable gain over 0~52dB with a -3dB bandwidth of 60MHz to 130MHz, and a 3dB bandwidth of over 200MHz, having an input and output impendence designed to be 50 ohms. The maximum output voltage without distortion is 2Vrms with a 50 ohm load and within 1dB bandwidth. The maximum gain is over 52dB with an in-band gain error less than 2dB.Measurements suggested that our device has reached all requirement of the subject, and some indexes even surpass the criteria the competition demands.
1系统构成与各子模块方案
1.1 前级放大模块方案的论证与选择
方案一：使用OPA657作为第一级放大，该芯片有1.6GHz的增益带宽积。但是输入噪声电压为4.8nV/√Hz。
方案二：使用OPA687做第一级放大，它具有较高的13.8GHz的增益带宽积，0.95nV/√Hz的输入电压噪声,900V/us的压摆率。
方案三：使用OPA847作为第一级放大，它具有超高的3.9GHz的增益带宽积，0.85nV/√Hz的输入噪声电压，950V/us的压摆率。
经实践对比我们发现，为了满足题目提出的低噪声要求，从第一级开始就需要抑制噪声，所以因选用低输入噪声、高压摆率的芯片。OPA847的输入噪声电压最低，可以有效的压制噪声，它的压摆率也最高，而且也可以得到6dB的电压放大倍数。所以综上所述选择方案三。
1.2可控增益放大器方案的论证与选择
方案一：采用精密的电位器改变放大器的反馈电阻来实现增益可调采用如OPA820，在+2倍增益时其增益带宽积240MHz。但是这样会给电路系统带来干扰，而且在频率很高的时候，电位器会产生电容效应，使得增益不够平坦。
方案二：采用VCA821和VCA820可变增益放大器，其中VCA821具有710MHz的小信号带宽，2500V/us的压摆率。VCA820具有150MHz的小信号带宽，1700V/us的压摆率。
综合以上两种方案选择，为兼顾性价比和高频信号等问题，选择方案二。
1.3末级电压放大模块的论证与选择
本级采用X级OPA2995、THS3201作为功率放大，它是电流反馈放大电路，其优点是电路带宽受增益的影响小，可以在满足放大的同时，满足带宽的需求，带宽主要受反馈电阻的影响，因此我们根据芯片手册上的电路对其外围电路进行设计，考虑到电源限制，采用正负5V进行供电，使系统通频带较高。经过几次尝试，选择增益为40倍，带宽超出180MHz.且带内平坦度较好，能够满足题目的带载能力。
系统框图如下：
2 系统的理论分析与计算
2.1放大器增益带宽积分析
系统调整主要由压控放大器VCA821实现。设置VCA821最大增益为5倍，通过调节压控端电压 调节增益。其表达式为：
选取 ，则增益为：
 ，
控制 在-1~1V范围内变化，可调节增益在0.05~5V/V变化。
2.2增益分配的计算
根据题目中的基本要求增益在12dB～40dB，增益步长为4dB的增益步进控制。频率范围为50MHz～160MHz。单级放大甚至是两级放大都是难以实现的，所以我们选择4级级联的方式，最终实现电压增益Av≥40dB的目标。第一级输出实现11倍的放大，可变增益放大实现程控增益的放大。
2.3 带宽计算
通过方案论证，宽带放大器采用集成运放实现。题目发挥部分要求输入信号有效值 时，输出电压有效值 ，即峰峰值为 ，频率为100MHz时下降3dB，则末级运放压摆率为：
同时，题目要求电压增益 ，输入信号频率为100MHz，则若采用单级放大，要求运放增益带宽积为：
目前运放无法实现单级放大60dB，因此本系统采用多级放大实现60dB增益可调。前级采用固定增益，由宽带高压摆率运放OPA847实现10倍增益。中间级通过压控放大器VCA824实现增益可调。
2.4频带内增益起伏的控制
根据题目要求整个系统至少满足在75MHz～108MHz范围内增益波动不大于2dB,由于本系统是X级级联的结果，并且每一级都可以单独工作，所以要保证每一级的最大的增益波动小于2dB。此外，在各级共同工作时，系统的总的增益曲线为各个模块的叠加。考虑最极端的情况，即各部分的最大增益波动的地方为同一个位置。在这种情况下要保证各级最大的增益波动小于 2除以级数 才能满足题目的要求。为了排除其他因素的影响，我们选用的芯片都是输入电压噪声极低的芯片。应该尽可能降低在75MHz～108MHz通带内的波动，必要时需要通过调整电路结果或外接LC网络进行一定的增益补偿。
通过上述合理的分配各级增益，使得各级带宽满足要求，四级级联。
2.5输入输出阻抗设置
题目要求系统的输入和输出阻抗都为50Ω，对于交流信号第一级运算放大器输入端使用50Ω电阻连接到地，如图2.3所示。输出阻抗在输出级放大器输出端串接50Ω电阻即可。如图1所示。
图 1
3 电路与程序设计
3.1电路总体设计
由前级放大电路模块，程控增益模块，末级放大电路模块组成，详见附录1。
3.2程序总体设计
程序模块主要由键盘DAC输出和显示构成
3.2.1程序功能描述与设计思路
采用stm32f103ZET6单片机，通过扫描键盘键值来控制DAC输出的特定线性分布电压实现增益步进并且将增益值和DAC输出电压值显示在LCD屏幕上。
4 测试方案与测试结果
4.1 测试方案方法
系统调试原则：根据电路原理现调试个单元电路，然后再整机测量。
（1）电路仿真与级联调试
运用仿真软件对每一集电路进行电路仿真，调整参数，达到要求后制作单层PCB板电路，焊接并进行单级测试，包括是否达到预定增益指标，增益起伏是否达到要求等。
（2）成功后进行4级级联，整体测试，得出结果进行调整后再固化电路布局，最后装箱调试。
4.2 测试条件与测试仪器
表4-2测试使用的仪器设备
序号
| 名称、型号、规格
| 数量
| 精度
| 1
| 数字万用表
| 1
| 3位半
| 2
| DG4162函数信号发生器
| 1
| 300MHz
| 3
| 54642A示波器
| 1
| 500MHz
|
测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路与系统原理图完全相同。检查无误，各元件参数选择合适，硬件电路无虚焊、接错、短路。
4.3 测试结果及分析
4.3.1 基本功能测试
我们按照调试步骤，逐一实现各功能。并将实验结果以表格形式汇总。如下表所示。
5 设计总结 可以写我们都完成了哪些指标
本设计通过多级放大电路，实现了增益可控的射频宽带放大器，该放大器具有高带宽，增益可步进等特点，满足了题目的基本需求。
参考文献：按文中引用次序列出
[1]黄智伟. 射频小信号放大器电路设计.西安:西安电子科技大学出版社，2008
[2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，2006
[3]张诚.电子系统设计——电路篇.北京：北京航空航天大学出版社，2012
附录1：电路原理图
OPA2695电路图
VCA821电路图
OPA847电路图
THS3201电路图
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