1、射频宽带放大器（D 题）摘 要本作品选用低噪声放大电路，滤波电路，压控增益放大电路，功率放大电路等电路模块来完成放大器的各项指标。低噪声放大电路用于放大输入的微弱信号同时减少等效输入噪声。滤波电路分为截止频率不大于 300KHz 的高通滤波电路和截止频率不小于 100MHz 的低通滤波电路，保证输入信号的带宽至少在 0.3MHz100MHz 范围内。压控增益放大电路选用 VCA821 可控增益放大器为主控芯片，通过程控电压来调节电路的放大倍数。在后级增加功率放大电路或者跟随器，增强电路带负载能力，继而使得输出阻抗满足要求。整体电路要求在 0.3MHz 100MHz 频带内，电压增益不小于60d
2、B，输出信号波形无明显失真。经测试电路，放大器的基础部分可达到指标，误差均在可控范围内。通过小信号继电器选择通道实现不同的放大倍数，最终电压增益能达到 60dB，且能实现在 060dB 范围内可调。关键词：低噪声放大；滤波；程控放大；VCA82101 方案设计与论证1.1 总体方案描述射频宽带放大器要求输入信号的电压有效值 Ui 不大于 1mV，属于极微弱信号，因此在电路中检测时需要对信号进行低噪声放大。由于题目要求放大器的带宽在0.3MHz100MHz，滤波电路是整体电路中不可缺少的一部分。电压增益可调采用压控增益放大器，通过 MSP430F149 单片机控制电压变化，根据 VCA821 压
3、控增益放大器的放大倍数（dB）与控制电压呈线性变化这一特性，在外部设定不同的参考电压同时配合各级放大电路可以实现 060dB 范围内可调电压增益。由题目可知，其主旨是在设定好的频带范围内改变输入信号的频率，设计出在不同频率下，电压增益不小于60dB 的放大电路，在放大电路的基础上继续扩展功能。方案一：对输入的小信号先滤波后进行放大，在后级的放大电路中可能会掺入杂波，影响输出结果。方案二：对输入信号先进行低噪声放大后滤波，然后把单端信号转为差分信号，用于抑制共模噪声，再经过压控可调放大，最后用继电器选择不同的放大。经论证，为了使得整体电路的误差降到最小，选择方案二。系统框图如图 1-1 所示。输
4、入信号 低噪声放大电路 滤波电路单端转差分 0 d B 放大V C A 8 2 1 压控增益放大电路不同放大倍数选择不同通道功率放大电路 输出信号图 1-1 系统框图1.2 放大电路本题要求输入信号有效值 Ui1mV，属于极微弱信号，为便于后级电路的检测同时减小等效输入噪声，需对输入信号进行低噪声放大。方案一：采用分立元件（如三极管）进行放大电路的设计，此方案元器件成本低，但是在实际电路中，焊接比较复杂，测试也复杂，不便于整体电路检测，但是这是放大电路的基础，在设计比较简单的放大电路是可以考虑此方案的。方案二：采用低功耗、电压反馈型集成运算放大器 THS4021 为放大电路的主控芯1片用来放大
5、输入端口的极微弱信号，THS4021 芯片的最大带宽可达到 350MHz，完全可以满足题目 100MHz 的带宽要求，而且使用集成芯片设计放大电路比较简单，遇到问题后方便检查，并且可以减小电路的误差。经论证，为便于后级电路的测试，选用集成芯片 THS4021 来设计低噪声放大电路，即选择方案二。1.3 滤波电路放大器要求输入信号的频率至少在 0.3MHz100MHz 范围内，即放大电路的带宽下限截止频率 fl0.3MHz，上限截止频率 fh100MHz，需要设计截止频率为 300KHz的高通滤波电路和截止频率为 100MHz 的低通滤波电路。在本电路中，设计低通滤波电路保证带宽至少在 100M
6、Hz 内。方案一：设计有源滤波器。有源滤波电路由无源元件和有源器件构成，其优点是在通频带内信号不仅能量损耗少，还可以放大信号，负载效应不明显，多级级联时相互影响较小，并且滤波器体积小，不需要磁屏蔽；缺点是通带范围受有源器件的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不好，在高频、高压、大功率的场合不适用。然而，题目明确要求输入信号为高频信号，故此方案不可用。方案二：设计无源滤波器。无源滤波电路仅由无源器件（R、L 、C）组成，这类滤波器的优点在于不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感 L 较大时，滤波器的体积和重量都比较大，
7、不适合在低频域使用，在高频域使用比较合理。题目是射频宽带放大器，即输入信号为高频信号，相比较与方案一，方案二适合本作品的电路设计，故选择方案二。1.4 压控增益放大电路压控增益放大电路通过程控电压来调节电压增益，在选取主控芯片的过程中既要使电路中电压增益在 060dB 范围内可调，又要使运算放大器的增益可调带宽不小于题目限定的带宽。方案一：选取 VCA810 为主控芯片设计压控增益放大电路，通过 VCA810 能够实现电压增益 060dB 范围内的变化，但是该芯片的压控增益功能在输入信号为 35MHz内可以实现，若输入信号频率超出这一带宽，增益可调功能将不能实现，而题目要求的带宽在 0.310
8、0MHz 内，因此以 VCA810 为主控芯片的压控增益放大电路不可取。方案二：选取 VCA821 为主控芯片设计压控增益放大电路，当输入信号频率小于在320MHz 时， VCA821 具备程控电压调节电压增益这一性能，题目要求输入信号在0.3MHz100MHz 范围内，因此 VCA821 完全满足题目要求。2经上述论证，选取方案二设计压控增益放大电路。2 理论分析与计算2.1 放大倍数的确定射频宽带放大器要求的电压增益 AV60dB，首先设计低噪声放大电路实现 20dB的放大，低噪声运算放大电路的基本原理是模拟电子技术中的同相比例运算电路，同相比例运算电路如图 2-1 所示。 -+36*TH
9、S401KR5GNDUio7图 2-1 同相比例运算电路由同相比例运算电路可知，该电路为闭环放大电路，图中的 R14 为反馈电阻，根据理想运放的“虚短”和“虚断” ，该电路的闭环电压放大倍数如公式（2.1） 所示。Auf=1+R14/R15 (2.1)该电路实现了同相比例运算，其值决定于 R15 和反馈电阻 R14，而与集成运算放大芯片内部各项参数无关。电路中的 R16 对运算结果没有影响，只是为了提高集成运放输入级的对称性，以便消除集成运放的偏置电流及其漂移的影响。本方案选用低功耗、电压反馈型运算放大器 THS4021 来设计低噪声放大电路。2.2 滤波电路为满足题目要求的带宽在 0.310
10、0MHz 内，设计了 RC 高通滤波电路。RC 高通滤波电路的截止频率 fh=1/(2RC)（R 为电阻值，C 为电容值） ，根据不同的截止频率，设定不同的电阻值和电容量，通过滤波电路限制输入信号的带宽。2.3 压控增益放大电路本方案采用程控电压调节电压增益，即通过单片机输入不同的电压值来控制电压增益，在给压控增益放大器 VCA821 输入在 02V 变化的电压值后，通过示波器测量VCA821 的输出电压并求得增益，电压增益在-20dB20dB 范围内变化，由前级 20dB3放大电路、压控增益放大电路、OPA695 控制的 20dB 放大电路结合可以实现 060dB的变化，达到增益可调的性能。
11、2.4 输入和输出阻抗放大器要求输入和输出阻抗均为 50，在输入和输出信号的端口分别并联 50 电阻来满足题目要求。2.5 射频放大器稳定性射频放大器的稳定性问题非常重要，是保证电路安全稳定运行的必要条件，在实际电路中，若产生信号源阻抗或者负载阻抗与射频放大器网络不匹配的情况，电路产生反射，在某些频率下可能是正反馈，从而导致射频放大器自激，影响电路分析。在放大器系统中， S 即信号源反射系数， in 是输入反射系数， out 是输出反射系数， L 是负载反射系数。如果把放大器看作是一个二端口网络，外接信号源输入和负载输出，其稳定性条件应符合公式（2.2） ， （2.3） ， （2.4）和（2.
12、5）所示。S1 (2.2)L1 (2.3)|in|=|(S11- L)/(1-S22L)|1 (2.4)|out|=|(S11- L)/(1-S22L)|1 (2.5)2.6 频带内增益起伏控制本设计中，要求通频带内增益起伏控制在 1dB 以内，本设计采用的是巴特沃斯滤波器,巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，虽然在阻频带内缓慢下降为零，但可以通过增加滤波器阶数来加快阻带内的衰减。经过仿真软件的设计，7 阶椭圆滤波电路可使指标达到要求，提高放大器在通频带内的稳定性。3 硬件和软件设计3.1 低噪声放大电路由于输入信号属于极微弱信号，为了便于后级电路检测输入信号，
13、以及减弱等效4输入噪声，在信号输入端选择以 THS4021 为主控芯片的低噪声放大电路。放大电路如图 3-1 所示。 IN+3-2OUT6*HS015V7RGDpFCio图3-1 低噪声放大电路由图 3-1 所示，R4 和 R5 为反馈电阻，电压放大倍数记为 AV1，根据前面理论分析可得：A V1=1+(R4+R5)/R6=10，相应的电压增益 G=20lg(AV1)=20dB，简单的放大电路将输入信号放大十倍。设计好的电路经过 Multisim11.0 电路仿真后，仿真的结果完全达到要求，仿真图如图 3-2 所示。图3-2 低噪声放大电路仿真图3.2 滤波电路放大器要求输入信号的频率在 0.
14、3MHz100MHz 范围内，所以需要在低噪声放大电路后级加入滤波电路，限定输入信号的带宽，在 Multisim11.0 仿真软件中仿真出来5的波形如图 3-3 所示。图 3-3 带宽仿真图3.3 单端转差分放大电路为了抑制共模噪声，提高信噪比，需要将前级单端输入信号转为差模输入信号，故设计单端转差分放大电路。电路如图 3-4 所示。IN+81OUT4*HSGD90R2K7Vi(o)pFC6图 3-4 单端转差分电路3.4 压控增益放大电路利用程控电压调节电压增益这一特性可实现电路增益在 060dB 范围内可调，选取压控增益芯片 VCA821。VCA821 在频率为 350MHz 范围内可实现
15、电压增益可调。根据芯片的功能特性，设计出来的电路如图 3-5 所示。6IN+3-RG45OUT10D*VCA82pF7HS.K9o图 3-5 压控增益放大电路3.5 20dB 放大电路为使电路的放大倍数达到 60dB，在后级增加增益为 20dB 的放大电路，该电路选用 OPA695 为主控芯片，放大电路如图 3-6 所示。ELYP图 3-6 20dB 放大电路3.6 缓冲电路在信号经过前级放大后，电路的带负载能力降低，需在放大电路后加一级由运算放大器 OPA691 构成的功率放大电路，用以提高电路的带负载能力，并且满足输出阻抗为 50，缓冲电路如图 3-7 所示。750R31429+-6*op
16、aGNDUiV8图 3-7 功率放大电路在焊接信号放大器时，要注意地线的布局，尽量使地线环绕电路一周，焊锡要平滑，以防信号通过焊锡发射出去，影响整体电路的效果。3.7 软件设计作品要求实现电压增益可调，本方案采用 MSP430F149 单片机控制矩阵键盘和LCD 显示屏共同完成这一要求，通过单片机给矩阵键盘设定不同的电压值，然后根据压控增益放大芯片 VCA821 的特性来实现在不同的输入电压值下对应电路不同的增益。4 测试数据分析4.1 测试仪器及型号UTT4102C 数字示波器；SDG 5162 信号源；自制可提供12V， 5V 的稳压电源；超高频毫伏表;数 字 万 用 表 。信 号 源 提
17、 供 输 入 信 号 ， 在 经 过 低 噪 声 放 大 电 路 ,滤 波 电 路 ， 压 控 增 益 放大 电 路 ， 功 率 放 大 电 路 后 ,使 得 输 入 信 号 的 电 压 值 放 大 到 设 定 好 的 值 ,并 且显 示 在 示 波 器 上 ,便 于 观 察 ,分 析 数 据 。84.2 主要测试结果与数据分析4.2.1 输入阻抗测试 给电路供电5V，输出对地短路，用数字万用表测量两输入端之间电阻。测得结果为 R=49.8。分析可得，输入阻抗并联了一个很大的外部阻抗，因此实际测量的输入会比理论值小一点。4.2.2 高通滤波测试高通滤波电路的截止频率为 300KHz,用信号发生
18、器输入固定幅值，频率变化的几组信号，用来检验滤波电路的截止频率，测试结果如表 4-1 所示。表 4-1 高通滤波电路测试表频率/MHz 0.1 0.22 0.29 0.30 0.62 3 20测量值 -8.00 -3.58 -3.38 -2.89 -0.68 -0.11 0增益/dB 理论值 -8.772 -3.66 -3.22 -3.00 -0.814 0 04.2.3 放大电路测量表用信号发生器给系统输入几组幅值不同的信号，找出各级放大电路的测试点，并且设定压控增益电路的放大倍数为 10dB,根据各级放大倍数求得测量值，测试结果如表 4-2 所示。误差结果分析:由于测试电路中示波器的探头、
19、仪器的内阻等客观因素，都影响输出信号的放大倍数，但是误差都在可控范围内，对整体电路的影响不是很大。表 4-2 各级电路放大倍数测量表输入信号幅值/mV 1 10 20 28测量值 9.95 98.7 187.2 278.0第一级放大幅值/mV 理论值 10 100 200 280测量值 99.7 979 1940 2769第二级放大幅值/mV 理论值 100 1000 2000 2800测量值 992 9950 19350 26780第三级放大幅值（输出信号）/mV 理论值 1000 10000 20000 280004.2.4 压控增益数据分析对压控增益放大电路进行测试，通过外围电路输入不同的电压值来调节电压放大倍数。电压增益的各项数据如表 4-3 所示。
