2015全國(guó)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告射頻可控放大器

1、2015年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽論文【本科組】增益可控射頻放大器設(shè)計(jì)報(bào)告2015年8月15日摘要本系統(tǒng)基于對(duì)壓控增益放大器 VCA824的控制，由前級(jí)壓控模塊，后級(jí)放大 模塊，鍵盤(pán)模塊以及屏幕顯示模塊組成。此設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)對(duì)白兆信號(hào)的放大以及程 控增益步進(jìn)放大。前級(jí)由 VCA82削DAC083卻成，單片機(jī)控制 DAC0832俞出電 壓變化改變VCA824勺增益變化，由VCA824俞出的信號(hào)經(jīng)過(guò)后級(jí)放大 20dB達(dá)到 有效值大于2v的輸出，并且后級(jí)使用增益帶寬積達(dá)到 1.6GHz的OPA657可以 實(shí)現(xiàn)通頻帶大于70M的要求。本系統(tǒng)還配備STC90C516I片機(jī)控制增益變化以及 鍵盤(pán)和顯示模塊。經(jīng)驗(yàn)

2、證，本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了題目的要求。關(guān)鍵字：VCA824 DAC0832電壓反饋放大器 射頻寬帶放大 增益步進(jìn)-9 -一、系統(tǒng)方案論證1.1可控增益放大器的方案論證方案一：采用多路開(kāi)關(guān)選擇器來(lái)選擇所需放大倍數(shù)對(duì)應(yīng)的運(yùn)放的跨接電阻來(lái) 實(shí)現(xiàn)增益控制。由丁題目要求增益以4dB變化，需要十幾個(gè)個(gè)電阻才能達(dá)到要求， 而多路選擇器使電路復(fù)雜，影響高頻的頻率特性，容易引起放大器的自激。方案二：采用場(chǎng)效應(yīng)管或三極管控制增益。主要利用場(chǎng)效應(yīng)管可變電阻區(qū)（或 三極管等效為壓控電阻）實(shí)現(xiàn)增益控制，但由丁題目要求的頻帶較高較難實(shí)現(xiàn)， 該方案乂需要采用大量分立元件，電路復(fù)雜，穩(wěn)定性差。方案三：采用VCA82孫控增益放大器，

3、其特點(diǎn)是dB為單位變化，可以通過(guò) 單片機(jī)控制DAC0832進(jìn)而控制VCA824的增益變化。該方案連線簡(jiǎn)單，并且直 觀，智能并高效。綜上比較，為使電路直觀，活晰，穩(wěn)定，減少自激發(fā)生的可能性，采用數(shù)字 化控制的VCA824.1.2射頻放大器選擇的方案論證方案一：采用電壓反饋放大器 OPA698由丁該放大器的增益帶寬積為 450MHz基本能滿足要求，成本低。但由丁本系統(tǒng)設(shè)計(jì)僅兩級(jí)，固定放大器放大 20dB,因此不能滿足通頻帶要求。方案二：采用電流反饋放大器 OPA691 OPA2694特別是OPA2694勺電壓壓 擺率高達(dá)4300V/us,在增益和大信號(hào)的調(diào)理中表現(xiàn)更好的帶寬和失真度，但是 輸入失調(diào)

4、電流比較高，題目要求的 2dB增益起伏難以實(shí)現(xiàn)。方案三：采用電壓反饋放大器 OPA657該放大器的增益帶寬積高達(dá)1.6GHz, 在20dB的放大倍數(shù)下，依然能滿足通頻帶的要求。但該放大器的去補(bǔ)償?shù)碾妷?反饋放大器由丁寄生電容過(guò)大會(huì)引起放大器的震蕩，而手工焊接的板子不能夠保 證寄生電容很小，難丁調(diào)試，用 PCEft路板有益丁電路調(diào)試。綜上比較，為了滿足通頻帶要求和盡量減少失真，選擇方案三。系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1增益調(diào)整系統(tǒng)的增益調(diào)整由VCA82戒現(xiàn)，通過(guò)單片機(jī)控制 DAC0832勺輸出電壓變化控制VCA824勺增益變化。DAC0832勺參考電壓Vref f選用5v直流源，則DAC0832的輸出

5、電壓：Vout = 些乂（輸入的數(shù)字量）256人 rVoutVg Vin （） VinVCA824勺輸出電壓：Rg*Rg r"式子中的Rf、RG和R1均為VCA824外接電阻，其中 W為輸入信號(hào)，VG為 控制該芯片增益變化的電壓。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，基本能實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)所需的-8dB到20dB的變化要求。2.2 放大器增益帶寬積運(yùn)算放大器增益和帶寬存在一定的關(guān)系。當(dāng)放大倍數(shù)增大，則對(duì)應(yīng)的帶寬會(huì)變窄，帶寬增益積BW u A =常數(shù) 放大電路的高頻響應(yīng)：Af(j ) =1/(1 j / ")(2-1)式中氣為放大器的中頻增益，為角頻率，切H為上限角頻率。當(dāng)引入負(fù)反饋并假設(shè)反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系

6、數(shù)是與頻率無(wú)關(guān)的實(shí)數(shù)B時(shí)，則有Af(j ) = A(j )/(1 BA(j )(2-2)將式(2-1)代入式(2-2)得Af(j ')=Am/(1 IB)(2-3)1 j /(1 AmB)h)Hf = h(1 AmB)由此可知，反饋中頻增益為AmAm/(AmB), 上限角頻率Hf變?yōu)?2-4)這說(shuō)明引入負(fù)反饋以后，放大電路的上限頻率擴(kuò)展了，擴(kuò)展程度與反饋深度 F有關(guān)。對(duì)本系統(tǒng)直流寬帶放大器，放大器下限角頻率為零赫茲，所以無(wú)反饋時(shí)放大器的通頻帶BW = fH，引入負(fù)反饋后放大器通頻帶擴(kuò)展到無(wú)反饋時(shí)的(1*氣印倍。而且有A BWf = A (1+1B) B Am BW=常數(shù) (1 AnB)

7、本系統(tǒng)選用的OPA657其增益帶寬積高達(dá)1.6GHz,能滿足通頻帶的要求。 但依然需要考慮運(yùn)放的擺率，驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力以及放大信號(hào)的質(zhì)量等因素。2.3 放大器穩(wěn)定性分析各級(jí)之間均用阻容耦合，在兩級(jí)之間使用電解電容兩端并接高頻瓷片電容以 避免高頻增益下降，并且隔直。將電源線以及數(shù)字信號(hào)線均加磁珠和電容。 磁珠可濾除電流上的毛刺，電容 濾除較低頻率的干擾。在各級(jí)之間實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，減少后面自激現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性。 數(shù)字地和模擬 地嚴(yán)格分開(kāi)，并且模擬地和數(shù)字地接丁一點(diǎn)。2.4頻帶內(nèi)增益起伏控制本系統(tǒng)后級(jí)固定增益放大，根據(jù) OPA65芯片手冊(cè)提供，其增益為10倍時(shí)， 帶寬高達(dá)160MHz可達(dá)到題目發(fā)揮部分要求

8、“ 60MHz130MHZ圍波動(dòng)”的指標(biāo) 要求。前級(jí)級(jí)使用壓控放大器 VCA824在一定頻帶內(nèi)輸出信號(hào)會(huì)有波動(dòng)。根據(jù) VCA824世片手冊(cè)提供，在壓控電阻控制端進(jìn)行頻率補(bǔ)償，可擴(kuò)展信號(hào)頻帶，使 輸出信號(hào)增益穩(wěn)定，達(dá)到題目“波動(dòng) 2dB'指標(biāo)。電路與程序設(shè)計(jì)3.1電路的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)上述的分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊采用的最終方案如下：控制模塊：采用STC90C51笄片機(jī)電源模塊：采用兩個(gè)雙電源增益調(diào)整模塊：采用DAC083轉(zhuǎn)日VCA824后級(jí)放大模塊：采用OPA657I壓反饋放大器顯示模塊：采用液晶屏LCD1602鍵盤(pán)模塊：采用兩個(gè)單點(diǎn)鍵系統(tǒng)的總體框圖如圖3.1所示：圖3.13.1.1可控電

9、壓增益電路可控增益電路我們采用 VCA824和DAC0832并用單片機(jī)控制。為和后級(jí)的 20dB搭配，我們控制VCA824勺增益為-8dB到20dB,以滿足題目要求的大丁 40dB 的要求。具體電路如圖3.1.1所示VS1 501 VOAS24_MODELR4 1kVS3 500mvgciAND1T 一OZ 相HL»i_硒1K-AAArOUT圖 3.1.13.1.2 DAC0832控制模塊我們采用單片機(jī)控制管腳高低電平變化來(lái)使DAC0832勺輸出電壓發(fā)生變化,進(jìn)而控制VCA82本勺增益變化，具體電路如圖 3.1.2所示：3.1.3后級(jí)放大模塊后級(jí)放大電路，一方面需要滿足題目要求電壓增

10、益Av A 40dB,另一方面為了避免放大倍數(shù)過(guò)大而自激，引入干擾。末級(jí)放大電路應(yīng)盡可能小但乂必須達(dá)到 要求。為了電路直觀活晰，因此我們選用 OPA657乍為末級(jí)放大電路的放大器， 由丁其增益帶寬積高達(dá)1.6GHz,即使后級(jí)放大20dB,帶寬仍滿足要求。具體電 路如圖3.1.3所示：圖 3.1.3四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1 測(cè)試儀器儀器名稱(chēng)：函數(shù)信號(hào)發(fā)生器數(shù)字示波器直流電源4.2 測(cè)試方法由信號(hào)源輸出有效值為20mv的信號(hào),型號(hào)：SP1641B TDS1002B +12v穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)頻率變化和增益變化，分別觀察 測(cè)試VCA824的輸出電壓和經(jīng)后級(jí)放大輸出的信號(hào)，采用點(diǎn)頻法測(cè)量電路的幅頻 特性

11、，觀察波動(dòng)范圍。4.3 測(cè)試結(jié)果測(cè)試數(shù)據(jù)注：V=20mv4.3.1通頻帶測(cè)試頻2卜、增益（dBK60MHz70MHz75MHz80MHz012.0 mV12.3mV12.4mV12.5 mV20109mV109 mV110 mV109mV401.08V1.06V1.08mV1.07mV增益商、85MHz90MHz100MHz110MHz012.1mV11.8mV11.7 mV10.4 mV20110mV107 mV108 mV98mV401.08V1.03V963mV975mV4.3.2步進(jìn)增益測(cè)試測(cè)試結(jié)果分析:理論增益(dEJ)某頻下實(shí)際增益(dE) 12dE16dE20dE24dE70MH

12、Hz10111517誤差2557理論、增益(dB)某頻祭、下實(shí)際、增益(dB) 28dB32dB36dB40dB70MHz25313438100MHz20252932誤差87584.4測(cè)試結(jié)果分析由此可見(jiàn)，在高頻段增益持續(xù)下降，并且誤差大。其他都能接近預(yù)設(shè)的要求五、結(jié)論與系統(tǒng)改進(jìn)措施1 .作品達(dá)到了題目所有基本和發(fā)揮部分的部分功能及指標(biāo)的要求:(1)電壓增益 Av A 20dB,輸入電壓有效值 Ui < 20mV Av在1240dB范 圍內(nèi)可調(diào)。(2) 最大輸出正弦波電壓有效值 Uo»200mV輸出信號(hào)波形無(wú)明顯失真。(3) 放大器BW-3dB勺下限頻率fL <60MH$上限頻率fH > 130MHz并要求 在60M到130MK帶內(nèi)增益起伏v 1dB。(4) 放大器的輸入阻抗=50歐，輸出阻抗=50歐(5) 本設(shè)計(jì)多使用集成芯片，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了題目要求。(6) 電壓增益 Av»40dB,輸入電壓有效值 Ui < 2mV Av在124