2013全國電子大賽射頻寬帶放大器報(bào)告

1、2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽射頻寬帶放大器（D題）【本科組】2013年9月7日I摘 要 本設(shè)計(jì)采用四級放大，電源選用LM317為放大器提供3.3V電壓。第一級放大使用噪聲小的THS3092構(gòu)成同相放大電路，第二、三級使用uA733差動放大器固定增益放大，后級采用帶負(fù)載能力較強(qiáng)的THS3091。在第一級放大器后利用等效電阻實(shí)現(xiàn)060dB增益可調(diào)。測試結(jié)果顯示，當(dāng)信號在輸入電壓有效值小于1mV，輸出波形無明顯失真時(shí)，頻帶范圍內(nèi)達(dá)到0.3MHz45MHz,增益大于60dB且連續(xù)可調(diào)。完成了所有基本部分的要求和部分發(fā)揮部分的要求。目 錄1系統(tǒng)方案21.1直流穩(wěn)壓電源的論證與選擇21.2前置放大模塊

2、的論證與選擇21.3 增益控制模塊的論證與選擇21.4 中間放大級模塊的論證與選擇31.6 后級功率放大模塊的論證與選擇32系統(tǒng)理論分析與計(jì)算32.1 三級放大電路的分析32.1.1 前置放大電路32.1.2 中間級放大電路32.1.3 后級功率放大電路32.2 增益分配和調(diào)節(jié)的計(jì)算32.2.1 增益分配32.2.2 增益調(diào)節(jié)43電路與程序設(shè)計(jì)43.1電路的設(shè)計(jì)43.1.1系統(tǒng)總體框圖43.1.2前置放大電路原理圖43.1.3中間級放大電路原理圖53.1.4后級功率放大電路圖53.1.5電源54測試方案與測試結(jié)果64.1測試方案64.2 測試條件與儀器84.3 測試結(jié)果及分析84.3.1測試結(jié)

3、果(數(shù)據(jù))84.3.2測試分析與結(jié)論10附錄1：電路原理圖12射頻寬帶放大器（D題）【本科組】1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由前級放大模塊、增益控制模塊、中間級模塊、后級功率放大模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。1.1直流穩(wěn)壓電源的論證與選擇方案一：采用CW7905，7809，7812，7905，7909，7912芯片設(shè)計(jì)正負(fù)直流穩(wěn)壓電源，此系列芯片最大輸出電流0.5A,帶載能力相對較差，紋波較大。方案二：采用LM337和+12V四輸出變壓器組成兩組直流可調(diào)穩(wěn)壓電源，用作正負(fù)電源，調(diào)壓范圍在+1.4+14.1之間，紋波系數(shù)低，最大輸出電流為5A，帶載能力極強(qiáng)。符合射頻放大器對電源的高要求

4、。綜合以上兩種方案，選擇方案二。1.2前置放大模塊的論證與選擇方案一：使用分立元件搭建共基級放大器。在三極管搭建的三大放大電路中，共基極放大器有電壓增益大、電流增益小、輸出電阻小、適合于高頻工作等特點(diǎn)。但由于題目中要求的頻率范圍較大，故對于放大三極管型號的選擇以及電路的搭建布線等都要求較大，實(shí)行起來比較困難。方案二：使用THS3092芯片搭建同相放大電路。THS3092是TI公司生產(chǎn)的一款電流反饋型放大器。電流反饋型放大器較常見的電壓反饋型放大器相比，具有更好的頻率特性，沒有固定的貸款增益積，在高頻電路中對波形的失真較小。該芯片的噪音小，帶寬高，適合于前級的小信號放大。方案三：使用OPA269

5、5芯片搭建同相放大電路。OPA2695同樣為TI公司生產(chǎn)的一款電流反饋型放大器。但相對而言雖然帶寬更大，但放大的噪聲也較大，故不太適合作為第一級進(jìn)行小信號的放大。綜合以上三種方案，選擇方案二。1.3 增益控制模塊的論證與選擇方案一：使用反饋調(diào)節(jié)放大系數(shù)從而調(diào)節(jié)增益。利用負(fù)反饋系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)反饋電阻Rf的大小來調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)。由于本電路共有三級放大電路，若每級都加上反饋調(diào)節(jié)則使用起來會很麻煩而且容易造成各種各樣的問題。方案二：利用電阻網(wǎng)絡(luò)衰減調(diào)節(jié)增益。利用歐姆定律電阻分壓的關(guān)系將信號進(jìn)行分壓，從而調(diào)節(jié)最后輸出的放大倍數(shù)。這樣操作的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，方便可調(diào)。但缺點(diǎn)就是不管最后輸出增益多少

6、，每個(gè)放大器都工作在不變的增益區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致功率較高。方案三：利用增益可控的放大器如VCA820。通過反饋端Vg的電壓調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是增益調(diào)節(jié)穩(wěn)定，且對于其他的芯片來說可以減小一些功耗。但缺點(diǎn)就是電路復(fù)雜，且芯片本身功耗就比較大，且很容易發(fā)熱導(dǎo)致工作狀態(tài)不正常，高頻時(shí)容易產(chǎn)生自激。綜合以上三種方案，選擇方案二。1.4 中間放大級模塊的論證與選擇方案一：利用OPA2695芯片搭建放大電路。方案二：利用uA733芯片搭建放大電路。由于uA733電路簡單，帶寬較大，綜合考慮采用方案二。1.6 后級功率放大模塊的論證與選擇THS3091芯片的帶寬大，壓擺率高，比較適合于組成最后一級較大

7、信號的放大工作。綜合考慮采用THS3091。2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1 三級放大電路的分析 2.1.1 前置放大電路同相放大電路2.1.2 中間級放大電路uA733使用簡單，經(jīng)過簡單的連接電路就會有固定倍數(shù)的增益，且頻域很寬。因?yàn)轭}目要求的頻率較大，故用兩片uA733，每片放大十倍的方式進(jìn)行電路連接，以滿足增益和帶寬的要求。2.1.3 后級功率放大電路THS3091具有7300V/us的壓擺率以及在較低增益下足夠的寬帶以及足夠的驅(qū)動能力，作為最后以及的功率放大十分有效。因前兩級的放大倍數(shù)較大，增益有所保證，所以這級的放大倍數(shù)不用太大，從而保證帶寬。2.2 增益分配和調(diào)節(jié)的計(jì)算 2.2.1 增益

8、分配對于題目要求的最大的100dB的放大倍數(shù)，將第一部分前置放大電路為了保證貸款而將增益設(shè)定為6倍；第二部分放大電路用兩級uA733各進(jìn)行10倍的增益（若由一個(gè)芯片完成100倍增益則可能帶寬不夠難以達(dá)到題目要求）；第三級為功率放大部分放大3倍。在理想狀態(tài)下能夠達(dá)到最大65dB。圖2-2-12.2.2 增益調(diào)節(jié)本設(shè)計(jì)通過調(diào)節(jié)第一級到第二級之間的信號幅度來進(jìn)行增益調(diào)節(jié)。通過電位器的抽頭將不同增益的信號傳遞到下一級，從而達(dá)到可線性控制增益的目的。圖2-2-2增益調(diào)節(jié)電路圖3電路與程序設(shè)計(jì)3.1電路的設(shè)計(jì)3.1.1系統(tǒng)總體框圖根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)總共分為五大部分:第一部前級放大電路，實(shí)現(xiàn)18.89dB

9、增益放大；第二部分中間級放大電路實(shí)現(xiàn)27.96dB增益放大；第三部分末級放大提高系統(tǒng)驅(qū)動負(fù)載的能力；第四部分電源模塊實(shí)現(xiàn)單5V供電到5V,+12V供電的轉(zhuǎn)變;系統(tǒng)整體框圖如下圖：圖3- 1 系統(tǒng)總體框圖3.1.2前置放大電路原理圖圖3-1 前置放大電路原理圖3.1.3中間級放大電路原理圖圖3-3 中間級放大電路原理圖3.1.4后級功率放大電路圖圖3-4后級功率放大電路3.1.5電源針對本題對電路源穩(wěn)定度的高要求，我們采用LM337構(gòu)成直流可調(diào)穩(wěn)壓電源。該芯片最大電流可達(dá)5A，帶載能力強(qiáng)，用22012V變壓器進(jìn)行變壓，該變壓器可以輸出兩組+12電壓，用兩個(gè)LM337芯片構(gòu)成兩組完全相同的電路，作

10、為正負(fù)電源輸出電壓。電壓調(diào)節(jié)范圍1.4V14.1V，精度高，紋波小，相對誤差不超過0.01V。由于高頻電路對電源的要求較高，我們給電源安裝了金屬外殼，使電路更加穩(wěn)定。電源輸出電壓計(jì)算公式：Vo=（R1+RP1）Vxx/R1。圖3-5一組LM337穩(wěn)壓電路原理圖4測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案1、硬件測試?yán)萌f用表檢測線路連接是否正確，利用信號發(fā)生器、高頻毫伏表、示波器、直流穩(wěn)壓電源、掃頻儀一同進(jìn)行各級電源、各級增益、帶寬、最小不失真頻率、最大不失真頻率等的測試。2、軟件仿真測試由于本小組選用的芯片大都來自TI公司，所以采用TI的仿真軟件TINA-TI進(jìn)行詳細(xì)的頻譜分析與仿真。如下圖所示：圖4

11、-2-1電路頻譜分析仿真圖 圖4-2-2瞬態(tài)分析仿真圖（輸入1mv 50MHz正弦波）因仿真軟件TINA-TI內(nèi)無uA733的封裝庫，故這里采用軟件庫中參數(shù)相近的同類芯片進(jìn)行仿真。 3、硬件軟件聯(lián)調(diào)當(dāng)通過掃頻儀觀測，若發(fā)現(xiàn)硬件電路的頻譜不平滑，比如在某頻率點(diǎn)出現(xiàn)諧振點(diǎn)，頻譜出現(xiàn)毛刺，則通過TI公司的仿真軟件TINA-TI，在電路圖中添加級間電容和電阻，參數(shù)調(diào)整都先經(jīng)過軟件模擬，模擬通過再進(jìn)行實(shí)際電路調(diào)試，這大大節(jié)約了時(shí)間，提升了效率。4.2 測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的超高頻毫伏表、模擬示波器

12、、數(shù)字萬用表、掃頻儀、直流穩(wěn)壓電源、滑線變阻器。4.3 測試結(jié)果及分析4.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))1、放大倍數(shù)測試測試方法：用信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率10MHz,輸入峰峰值分別為2.8mv、5.6mv、7mv、14mv、28mv、56mv正弦波進(jìn)行測量。從示波器即可讀出輸出電壓峰峰值。測試條件：帶50歐姆阻性負(fù)載。增益為系統(tǒng)固定增益#dB，輸入頻率固定為10MHz輸入峰值Vpp2.8mv5.6mv7mv14mv28mv輸出峰值Vpp146mv232mv273mv522mv1.095v實(shí)際增益G34.34dB32.34dB31.8dB31.4dB31.84dB輸入峰值Vpp40mv56mv輸出峰值Vpp

13、1.520v1.990v實(shí)際增益G31.59dB31.01dB測試結(jié)果分析，由數(shù)據(jù)可以看出，信號增益20dB(100倍)，最大輸出電壓峰峰值為1.99V達(dá)到了題目的基本要求。多次測量，將結(jié)果進(jìn)行比較，測量相對誤差小于5% ，滿足發(fā)揮部分要求 ，且信號輸出波形無明顯失真。2、幅頻特性測試 輸入電壓Upp=56mV 頻率/MHz0.30.512510幅度/mV94013051565166016602000增益/dB24.527.628.929.429.431.05頻率/MHz1112131415161718幅度/mV19801995194519451945194519452045增益/dB30.9

14、31.030.830.830.830.830.831.2頻率/MHz1920222426283032幅度/mV20452045204520852085212521252125增益/dB31.231.231.231.431.431.631.631.6頻率/MHz3436384045.050幅度/mV207520401940184515801330增益/dB31.431.230.830.429.027.5放大器下限截止頻率為0.5MHz，上限截止頻率為50MHz，在5MHz40MHz頻帶內(nèi)增益起伏1dB圖4-3-2頻率波特圖3、發(fā)揮部分增益調(diào)節(jié)測試 輸入電壓Upp=2.8mV 頻率f=10MHzF

15、/MHz110152025303540輸出電壓/mV23602610261026102525268025352135增益/dB58.5159.459.459.459.159.659.157.6F/MHz45505560輸出電壓/mV163512151100895增益/dB55.352.751.850.14、發(fā)揮部分幅頻特性測試 測試條件：在放大倍數(shù)大于60dB條件下，輸入電壓Upp=2.86mv 頻率/MHz0.10.20.30.40.50.60.70.8幅度/mV5661540227024252425242524252425增益/dB50.054.658.058.658.658.658.65

16、8.6頻率/MHz125710151617幅度/mV24252425242524252430243024302430增益/dB58.658.658.658.658.658.658.658.6頻率/MHz20幅度/mV2340增益/dB58.3圖4-3-3頻率波特圖4.3.2測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，對于基礎(chǔ)部分，由于頻率要求不是很高，輸入電壓有效值不是很低，所以測量效果較好，隨著頻率和帶寬的要求提高，四級放大存在網(wǎng)絡(luò)相移問題，所以輸出特性不是很理想。由此可以得出以下結(jié)論：1、高頻小信號的放大不僅與所選運(yùn)放有關(guān)，與各級網(wǎng)絡(luò)的匹配也有很大關(guān)系，處理不好極容易產(chǎn)生自激。我們所選的Ua733屬于差動放大器，為電路的穩(wěn)定打下基礎(chǔ)，測試過程中未出現(xiàn)自激振蕩現(xiàn)象。2、基礎(chǔ)部分：輸入電壓有效值小于20mv時(shí)，滿足電壓增益大于10dB，且在020dB范圍內(nèi)可調(diào)輸入電壓有效值小于20mv時(shí)，最大輸出正弦波電壓有效值遠(yuǎn)大于200mv，輸出波形無明顯失真。輸入電壓有效值小于20mv時(shí)，放大器的下限截止頻率小于0.3MHz，上限截止頻率大于20MHz，且在1MHz15MHz頻帶內(nèi)增益起伏小于1dB。放大器