1、射频宽带放大器设计报告射频宽带放大器摘 要:本系统采用宽带电压反馈运放OPA690、压控增益放大器VCA810以及宽带电流反馈放大器THS3001结合的方式,实现了增益可调的射频宽带放大器。系统主要由四个模块构成:前置放大电路、压控增益放大电路、后级放大电路、单片机显示控制模块。压控增益放大电路以VCA810为核心,实现60dB的可调节围;使用THS3001等运放进行电压放大使最大有效值达到1V;整个电路波形稳定、无明显失真,噪声电压小,通频带增益平坦,较好得完成了基本部分和发挥部分的要求。关键词:射频放大、宽带放大、压控增益、单片机控制Abstract Adopting a combinat
2、ion of wideband voltage-feedback amplifier OPA690, voltage-controlled gain amplifier-VCA810, wideband current-feedback amplifier THS3001, the system can achieve a RF(RF-Radio frequency)broadband amplifier with adjustable gain. The system is consisted of four blocks: pre-amplifier circuit, voltage-co
3、ntrolled gain amplifier circuit, the latter amplifier circuit, MCU display control module. With a core of VCA810, the VGA circuit can achieve 60dB of gain adjustment range. Applying THS3001 etc. amplifier gains 1V of maximum effective value. The whole system has a feature of stable distortionless wa
4、veform, low noise and high gainflatness complete the design tasks, both the basic part and extended part.Keywords: Radio frequency amplification、bandwidth amplification、voltage controlled gain、single chip microcomputer control一、系统方案.41.1方案比较与选择.41.1.1前置放大电路.41.1.2 压控增益放大电路.41.1.3 后级放大电路.41.2方案描述.5二、
5、理论分析与计算.62.1 宽带放大器设计.62.2 频带增益起伏控制.62.3 射频放大器稳定性 62.4增益调整.6三、电路与程序设计73.1电路设计.73.1.1前置放大电路与电路原理图.73.1.2压控增益放大电路与电路原理图.73.1.3 后级放大电路与电路原理图 .83.2程序的设计9四、测试方案与测试结果 .104.1测试仪器.104.2 测试方法及数据.104.3 测试结果及析.11五、总结.12附录1:元器件表12附录2:幅频特性显示与波形显示.12附录3:总电路图15附录4:源程序 .151、系统方案1.方案比较与选择(1)前置放大电路方案一:选用分立元件搭建电路,可以输出较
6、大电压,但需采用多级高频电路,电路比较复杂,工作点难于调整,容易产生自激振荡,难以保证带宽,故不选用此方案。方案二:使用多级放大器实现放大,采用同相输入形式,多级放大电路的对数增益等于其各级对数增益的对数和。此方案原理简单,易于调试,能够满足题目中输入阻抗和线性度的要求,故选取此方案。综上所述,选择方案二。(2)压控增益放大电路方案一:采用可编程放大器思想,通过程序调节放大倍数,使A/D转换器满量程信号达到均一化,大大提高测量精度,但由于难以满足高频率的指标,控制的数字量和电压增益不成线性关系,故不采用此方案。方案二:采用程控电位器作为反馈电阻,由于电压增益的调节围较大,需要电阻值的调节量很大
7、,增加了电路的复杂程度,易影响分布的电容,造成电路的不稳定,故放弃此方案。方案三:选用集成压控放大器作为增益控制,其增益与控制电压成线性关系,通过单片机输出数字信号到D/A芯片转换出相应的控制电压,实现精确的数控,且外围电路简单,便于调试,故选用此方案。综上所述,选择方案三。(3)后级放大电路方案一:采用晶体管单端推挽放大电路,通过多级深度负反馈扩展通频带,级联可用直接耦合方式,但直接耦合的多级放大电路调试繁琐,电路不够稳定,且对电源电压的要求较高,所以放弃此方案。方案二:选用多级运放实现放大,可以输出较高电压,但由于要与前置放大电路和压控增益放大电路级联,本身也要级联,带宽缩减,波形容易失真
8、并产生自激振荡,所以放弃此方案。方案三:选取单片集成宽带运算放大器。避免了本身级联使得带宽缩减,波形不易失真,且该方案电路较简单,容易调试,故采用本方案。综上所述,选择方案三。2.方案描述 系统框图如下图1所示,系统主要由四个模块构成:前置放大电路、压控增益放大电路、后级放大电路、单片机显示控制模块。前级放大电路增益为20dB,由两级OPA690 组成,保证输入阻抗匹配。放大后的信号通过VCA810再次进行放大,其中由单片机对VCA810输入-20V的控制电压以涵盖020dB 的增益调节围。在压控增益放大电路再接一级后级放大电路,设置后级放大电路的增益为20dB,整个电路就能实现060dB的增
9、益调节。 图1 系统框图二、理论分析与计算1.宽带放大器设计 本系统的宽带放大器主要体现在前置放大电路与后级放大电路,分别采用OPA690和THS3001两种运放。OPA690是宽频带、低温漂运放;THS3001是电流反馈运放,其带宽达到420MHz,两者对单位增益稳定都有很大作用。增益带宽积一定,为了扩展通频带,两个电路的放大倍数均设置为20dB,加上中间压控增益电路的可调节增益围-4040dB,则整个电路的增益调节围达到80dB。2.频带增益起伏控制随着频率的增高,放大器的增益会随之下降,通过补偿电容即在电阻两端并联电容(如下图2所示),当频率增高时,阻抗减小,电路的放大倍数增加,从而实现
10、相位补偿和增益补偿,使信号在通频带的增益更加平坦,并调整反馈电阻,将放大器的增益在通频带的起伏降至最低。 图2 电容补偿图3.射频放大器稳定性 由于本系统放大倍数非常大,芯片的增益带宽积越大越容易引起自激振荡,所以在运放的连接中,反馈电阻尽量靠近输入引脚,接地端并联旁路电容,级联采用阻容耦合,布线要短且尽量减少弯折。在输入级,将整个运放用较粗的地线包围,缩短地线回路,吸收高频信号减少噪声,增加电路的稳定性。4.增益调整 增益控制部分以VCA810为核心,其通频带为25MHz,增益调节围为-4040dB,输入控制电压为0-2V,增益控制精确到1.5 dB。题目要求电压的最大增益要大于等于 60d
11、B,且在060dB可调,而中间级采用的压控增益放大器 VCA810对输入电压和输出电压均有限制,所以,必须合理分配各级放大器的放大倍数。前置放大电路增益设置为 20dB,则前置放大电路和VCA810级联可实现-2060dB 的增益调节围。由于输入电压有效值小于等于1mV,为了提高 VCA810 的输入电压和进一步提高系统最高增益,VCA810下一级增加增益为20dB 的后级放大电路,则系统增益调节围为 080dB。三、电路与程序设计1.电路设计(1)前置放大电路电路如下图3所示。设置前置放大电路,采用宽频带、低漂移运放OPA690,在5V双电源供电下,组成二级级联的同相宽带放大器。在其同相输入
12、端并联 51电阻到地,实现阻抗匹配。反馈电阻经过多次调试确定分别为560和800,反相输入端阻抗则由电阻与电容构成,频率增加,阻抗减小,而第一级同相电路的增益Av1为Av1=1+R4/Z1(Z1为R1、R2、C1构成的阻抗),从式中很容易看出增益也随之增大。两级之间采用一样的电路网络,第二级的增益Av2为Av2=1+R8/Z2(Z2为R5、R6、C4构成的阻抗),则整个前级放大电路的增益为Av=Av1*Av2,实现20dB以上的放大。图3 前置放大电路(2)压控增益放大电路电路如下图4所示,系统压控增益放大电路以VCA810为核心,其带宽达到35MHz,增益-40dB至+40dB连续可调,最高
13、的增益线性度为0.3dB/V。采用单片机程控DA转换输出电压,来控制VCA810的电压增益,同时可手动按键更改电压增益。结合前级放大电路的增益20dB,整个电路则实现020dB连续可调。图4 压控增益放大电路(3)后级放大电路电路如下图5所示,与前置放大电路相似,采用宽带电流反馈放大器THS3001在5V双电源供电下,构成同相宽带放大器,为了与输出阻抗匹配,在输出端串联一个50的电阻。反馈电阻接入1.8k,该放大电路的增益Av3=1+R16/Z3(Z3为R14、R15、C9构成的阻抗),实现20dB以上的增益。图5 后级放大电路2.程序设计 由于本环节中单片机只需具备控制增益和液晶显示的功能,
14、所以软件设计比较简单。启动单片机后进入增益控制及显示界面,可以通过按键调节增益,步进0.4dB,并将控制电压和增益显示在液晶屏上。如下图6为软件流程图。 图6 软件流程图四、测试方案与测试结果1.测试仪器(1)VC9802A+型数字式万用表(2)RS-1303DQ电源(3)GDS-815C数字存储示波器(4)EE1461 DDS合成信号发生器 (5)SP3060型数字合成扫频仪2.测试方法及数据(1)放大器最大增益与最小信号输入端加1MHz正弦波,调节电压和增益测得波形不失真最大输出电压有效值。 输入有效值:1mV预置增益:60dB输出有效值:1V(2)放大器输入阻抗与输出阻抗电路设计的输入阻
15、抗为50,测得输出阻抗为50。(3)输出端噪声在Av60dB时,将输出端短接,输出端噪声电压的峰峰值UoNpp为90mV,达到UoNpp100mV的要求。(4)幅频特性测试放大器宽带预置100MHz显示,最大起伏为0.98dB。测试数据如下表1,测试的采样波形图及幅频特性见附录2。输入电压(mV)增益(dB)输出电压(mV)带最大起伏(dB)1MHz5MHz8MHz12MHz15MHz1.002010.010.010.010.010.001.004010010010099990.0081.006010009999959879800.18输入电压(mV)增益(dB)输出电压(mV)带最大起伏(d
16、B)20MHz40MHz60MHz80MHz100MHz1209.89.89.69.39.10.8214097969693900.921609739629479218930.98表1 通频带为100MHz的幅频特性3.测试结果分析(1)放大器的最大增益大于60dB,输入电压的有效值小于1mV,最大的输出有效值大于等于1V且增益在060dB连续可调,波形也无明显失真,达到题目的指标要求。(2)电路设计的输入阻抗等于50,输出阻抗等于50,满足题目的指标要求。(3)在增益大于60dB的前提下,噪声电压小于100mV,满足题目对噪声的指标要求。在测试噪声电压时,由于测试环境中有大量的电子设备,干扰较
17、大,屏蔽盒不够完善,如果对整个电路加强屏蔽,噪声电压会更小。(4)由表1知,通频带的电压增益起伏小于1dB,3dB的带宽也满足题目所要的围,达到题目的指标要求。由于示波器本身的仪器误差,使得读出的数据与理想的数据有些微出入,如果使用更为精密的仪器,读出的数据将更为准确。(5)单片机显示控制了电压的增益,自制屏蔽罩大幅度减少了噪音,符合题目中发挥部分的其他。五、总结 本设计圆满地完成了基本部分的要求,较好地完成了题目发挥部分的要求,但仍存在一定的发展空间。例如由于最后一级电路放大高频特性的限制,如果继续改善补偿电路,可使通频带的增益起伏降低至0.5dB;另外,若将电路板做成PCB板,合理的布局以
18、及采用大面积覆铜等措施,可以使噪声电压降到更低,进一步提系统的性能。附录:1.元器件表射频宽带放大器元器件清单元件名称规格 数量备注运算放大器OPA6902VCA8101THS30011可调电阻10k1电路板22.幅频特性显示与波形显示图7 0dB幅频特性图8 10dB 幅频特性显示图9 20dB幅频特性显示图10 1MHz达到的峰峰值波形图图11 20MHz不失真波形图3.总电路图4源程序#include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define PCF8591 0x90 /PCF8591 地
19、址 #define uchar unsigned char #define uint unsigned inttypedef unsigned char BYTE; /用BYTE代替unsigned char typedef bit BOOL; / 用BOOL代替bit BOOL lcd_bz();sbit LCD_RS = P26; /复位端 sbit LCD_RW = P25; /写数据端sbit LCD_EP = P27; /使能端sbit K1=P10;sbit K2=P11;sbit SCL=P21; /串行时钟输入端 sbit SDA=P20; /串行数据输入端 void dela
20、y1(int ms);void lcd_wcmd(int cmd);void lcd_pos(BYTE pos);void lcd_wdat(BYTE dat);void lcd_init(); unsigned char code cdis1 =VOLTAGE: V;unsigned char code cdis2 =GAIN: dB;unsigned char data display1 =0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00;unsigned char data display2 =0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0XFF;/*延时函数*/ void
21、delay1(int ms) int i; while(ms-) for(i = 0; i 250; i+) _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /*测忙函数*/ BOOL lcd_bz() BOOL result; LCD_RS = 0; LCD_RW = 1; LCD_EP = 1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); result = (BOOL)(P0 & 0x80); LCD_EP = 0; return result;/*写命令函数*/void lcd_wcmd_8bit(int cmd) while(lcd_
22、bz(); LCD_RS = 0; LCD_RW = 0; LCD_EP = 0; _nop_(); _nop_(); P0 = cmd; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 0; /*LCD写入命令函数*/ void lcd_wcmd(int cmd) while(lcd_bz(); LCD_RS = 0; LCD_RW = 0; LCD_EP = 0; _nop_(); _nop_(); P0 = cmd; /高4位传入 _nop_(); _
23、nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 0; P0 = (cmd&0x0f)4; /低4位传入 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 0; /*显示位置设定函数*/ void lcd_pos(BYTE pos) lcd_wcmd(pos | 0x80);/*写数据函数*/ void lcd_wdat(BYTE dat) while(lcd_bz(); LCD_RS = 1; LCD_RW = 0; LCD_EP = 0; P0 = dat ; /高四位传入 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 0; LCD_RS = 1; LCD_RW = 0; LCD_EP = 0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); P0 = (dat&0x0f)0;x-) for(