1、 摘要：該設計通過前置放大，程控放大和后級放大三級放大能將130M的高頻小信號放大52dB以上。信號先通過LMH5401進行前級差動放大，再利用單片機MSP430f5529與數模轉換器DAC7571控制VCA821實現程控增益放大，末級通過高速寬帶運放THS4303輸出以驅動50的負載，實現輸出電壓有效值大于2V。關鍵詞： 射頻放大器 程控放大 MSP430F5529 VCA821 一、系統(tǒng)方案論證1、前置放大器模塊的論證與選擇方案一 用TI芯片OPA847搭建同相放大電路。OPA847有很寬的帶寬，可以滿足此題目所要求的寬帶增益放大。但是OPA847的圧擺率不夠高，可能會導致輸出信號的失真。

2、方案二 用THS4303做前級放大，THS4303的圧擺率能到達5500V/且它的帶寬高，能較好的對高頻小信號進行放大。但THS4303是增益固定為10V/V的放大器，增益固定不可調?？紤]到整體電路的增益分配10V/V的增益不符合我們所需的前級放大倍數。方案三 用差分放大器LMH5401做前置放大模塊，LMH5401的圧擺和帶寬均能到達要求，有低噪聲低功耗的特點，同時它在 SE-DE 或差分到差分 (DE-DE) 模式下工作時產生的二次諧波和三次諧波失真非常低。所以用它來做前置放大效果很好。綜上選擇方案三。2、電源模塊的論證與選擇方案一 用穩(wěn)壓芯片TPS7350，TPS7325及TPS7232

3、5結合，將12V的直流電源轉換得到所需電壓。TPS7350，TPS7325，TP72325均是低壓穩(wěn)壓芯片，它們分別可提供+5V，2.5V和-2.5V的固定電壓輸出，但這種方案不能得到-5V的電壓輸出，不能對放大器進行+5V供電。方案二 用放大器芯片OPA847與穩(wěn)壓芯片TPS7350，TPS7325相結合,得到多種輸出電壓，這種方法芯片較多，電路較復雜，但可得到所需的電壓，且提高了電源效率。所以選擇方案二。3 、程控模塊的論證與選擇方案一 用可變增益放大器LMH6401與單片機相結合來控制增益變化。LMH6401是一款步長為1dB的差分數字可變增益放大器，可用SPI通信接口控制其增益變化。但

4、LMH6401的增益范圍為-6dB至24dB，單片LMH6401不能滿足此題中增益范圍為1240dB的要求，需要兩片串聯使用，但LMH6401的價格較為昂貴所以此方案本錢較高。方案二 用壓控增益芯片VCA821與單片機結合控制增益變化。VCA821是一款有較高的圧擺率和帶寬的dB線性可變增益放大器。用單片機的DAC控制VCA821的引腳電壓改變來控制整體增益，且其最大增益可通過設置電阻值來設定，所以可滿足此題中40dB線性增益的變化。綜上選擇方案二。4、 后級放大此處我們用THS4303搭建固定增益放大電路做后級放大。THS4303是固定增益為10的放大器，它還具有圧擺率高，頻帶寬的特點。尤其

5、是10V/V的固定增益使得整體電路較為穩(wěn)定，適合作為后級放大。5 濾波模塊方案一 用電容器和電感搭建無源的高通濾波器。此種方法元器件較少本錢低，電路結構簡單，且對諧波的抑制效果較好。但是此種方法電能損耗大而且在射頻情況下濾波器受系統(tǒng)參數影響較大，可能會造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。方案二 用OPA847放大器搭建有源高通濾波器。用OPA847與電容和電阻一起構成二階有源高通濾波器，與無源濾波相比它有更好的可控性和快速響應的特點，且它的濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除在射頻情況下與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險。綜上選擇方案二。理論分析與計算1 、射頻放大器的設計放大器的增益分析：VCA821是一款壓控dB線性

6、增益放大器，其增益范圍可根具電路自行設定。如圖一所示，其中增益范圍由RF和RG的比值所決定，如下式：此處設定其最大增益為32dB，經計算可取RF=200，RG=12.5，那么當Vg的電壓在02V之間變化時，其增益在小于20dB32dB間線性變化。圖1 程控放大電路根據題目知放大器的電壓增益AV52dB, 增益控制范圍為 12dB40dB。那么電路中的其余電壓增益至少應大于20dB,考慮到實際電路中的增益損耗此值應該偏大。因為VCA821的輸出電壓過大會產生失真，所以不能將所有增益均加到前級。所以可采用如下增益分配：前級放大采用LMH5401所構成的差分放大電路，放大倍數為8V/V(18.06d

7、B)，后級放大采用固定增益為10V/V20dB的THS4303所構成的放大電路。那么前級和后級所組成的總增益為80V/V(38.06dB)能在所有芯片的輸出電壓范圍內到達所要求的放大倍數。2、頻帶內增益起伏控制 通頻帶定義：在信號傳輸系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出信號從最大值衰減3dB的信號頻率為截止頻率，上下截止頻率之間的頻帶稱為通頻帶，用BW表示。通頻帶越寬，說明放大電路對不同頻率信號的適應能力越強。下限截止頻率fL：在信號頻率下降到一定程度時，放大倍數的數值明顯下降，使放大倍數的數值等于0.707倍的頻率稱為下 限截止頻率fL。上限截止頻率fH：信號頻率上升到一定程度時，放大倍數的數值也將下降，使放大

8、倍數的數值等于0.707倍的頻率稱為上限截止頻率fH。通頻帶fbw：fbwfHfL。此處為到達題目要求在 50MHz160MHz 頻率范圍內增益波動不大于 2dB。3、射頻放大器的穩(wěn)定性 放大器的穩(wěn)定性受許多因素的影響，如零點漂移，自激振蕩，電源紋波，PCB布局布線不當等都會影響放大器工作的穩(wěn)定。零點漂移：零點漂移是指當放大電路輸入信號為零時，放大器工作時會發(fā)熱，使其工作溫度變化。由于受溫度變化，電源電壓不穩(wěn)等因素的影響，使靜態(tài)工作點發(fā)生變化，并被逐級放大和傳輸，導致電路輸出端電壓偏離原固定值而上下漂動的現象。顯然，放大電路級數愈多、放大倍數愈大，輸出端的漂移現象愈嚴重。嚴重時，有可能使輸入的

9、微弱信號湮沒在漂移之中，無法分辯，從而達不到預期的傳輸效果。為了抑制零點漂移我們在此選用差動放大器LMH540和VCA821來構成差動放大電路，此種方法能較好的抑制零點漂移。自激振蕩：自激振蕩是指不外加鼓勵信號而自行產生的恒穩(wěn)和持續(xù)的振蕩。如果在放大器的輸入端不加輸入信號，輸出端仍有一定的幅值和頻率的輸出信號，這種現象就是自激振蕩。 為了消除這一現象，采用頻率補償的方法，在放大器的反響電阻處并接一較小的電容。電源紋波：在高頻小信號放大中電源紋波會影響信號的穩(wěn)定，此時在電源處并接一個22pf的瓷片電容和一個6.8f的電解電容可大大減少電源紋波。PCB制作：芯片工作在高頻時對PCB的走線要求較高，

10、為了減少因PCB布局不當對信號造成的影響，在布局走線時盡量按照芯片手冊上PCB走線，使其對信號的干擾最小。4、增益調整此題中要求增益控制范圍為 12dB40dB， 增益控制步長為4dB。因為系統(tǒng)是通過VCA821來改變增益，VCA821的控制端電壓從02V變化時，放大器的增益也線性變化，此處是從-20dB33dB線性變化。要到達步長為4dB只要通過單片機的DAC輸出相應電壓值至VCA821的電壓端，從而使得系統(tǒng)增益步進變化。電路與程序設計 系統(tǒng)的整體框圖如下所示：圖2 系統(tǒng)整體框圖系統(tǒng)采用單片機 MSP4303F5529 為核心。輸入信號經過前級放大，壓控放大和后級放大能實現大于52dB的增益

11、放大。通過觸摸屏可步進增加增益，同時顯示當前增益，單片機根據設定的增益經D/A轉換器調整VCA821控制腳的電壓實現整體電壓增益的步進變化。1、電源模塊設計由于系統(tǒng)所用放大器芯片所需電源種類有+5V、+2.5V所以用放大器芯片OPA847與穩(wěn)壓芯片TPS7350，TPS7325相結合可得多種輸出，電路圖如下所示。圖3 電源模塊電路 1、前置放大電路的設計前置放大采用差模放大的LMH5401，單通道輸入，雙通道輸出，每通道放大4倍。查詢芯片手冊得出當放大倍數為8的時候各電阻的阻值如下：圖4 前置放大電路2、程控放大電路采用壓控增益放大芯片VCA821來設計程控電路，通過單片機控制DAC控制引腳電

12、壓在02V變化從而實現增益的線性變化。圖5 程控放大電路3、高通濾波電路用OPA847來搭建20M的高通濾波器，以保證當輸入信號頻率 f20MHz 或輸入信號頻率 f270MHz 時，實測電壓增益 AV 均不大于 20dB。圖6 高通濾波電路4、后級放大電路后級放大電路用固定增益為10V/V的放大器THS4303，THS4303有寬頻帶，高壓擺，輸出電流高的特點，適合于做輸出放大。圖7 后級放大電路二、程序設計利用單片機MSP430F5529控制DAC的輸出電壓來控制放大器增益的改變，同時液晶屏顯示增益。單片機的工作流程如下，當單片機上電，初始化屏幕顯示，沒有觸摸屏幕時進入低功耗模式。當檢測到

13、屏幕觸摸，觸發(fā)中斷，翻開中斷，讀取觸摸位置，判斷觸摸的是加還是減。之后進行相應處理。圖8 軟件流程測試方案與測試結果測試設備環(huán)境序號名稱、型號、規(guī)格數量1DS2202A-S雙通道示波器12TPR3005T-3C線性直流穩(wěn)壓電源13DY2106數字萬用表14Agilent 信號發(fā)生器12、測試方法和結果1、放大器頻率特性測量測量方法：輸入電壓有效值為20mv 的正弦小信號，將增益調到最大，在輸出信號無明顯失真的條件下逐漸增大其頻率，并記錄其輸出電壓值，求出在該頻率點下的電壓增益。輸入頻率MHZ105070100輸出(V)2.972.983.23.16放大倍數(dB)43.543.544.043.

14、97輸入頻率MHZ120130160180輸出(V)3.153.112.842.69放大倍數(dB)43.9743.9643.042.6綜上，最大增益約為43.8dB。2、頻帶內增益起伏控制測量方法：輸入電壓有效值為20mv的正弦小信號，在頻率75MHZ108MHZ時，固定一個增益值，在該頻段內頻率連續(xù)變化，觀察并記錄在該過程中的Vpp值最大和Vpp值最小點處的增益值，求其差值看是否小于2dB。固定增益值(dB)10203040平均值最大增益(dB)11.620.431.443.9最小增益(dB)9.820.129.842.0增益差值(dB)1.80.31.61.91.4在75MHZ108MH

15、Z內頻帶增益起伏為1.4dB,滿足根本要求。4、-3dB通頻帶測量測量方法：輸入電壓有效值為20mv的正弦小信號，固定一個增益值，調節(jié)頻率，觀察并記錄在該過程中當增益下降3dB時的上限和下限頻率，屢次改變增益值。最后看是否滿足題目所規(guī)定的上下限頻率。固定增益值(dB)10203040Fl(MHZ)52657687Fh(MHZ)120117110100由表可知當電壓增益較小時，可滿足通頻帶要求，但隨著頻率升高，下限頻率逐漸升高，不能滿足要求。5、增益步進控制測量測量方法：輸入一個有效值為20mV的小信號，固定一個頻率，讓增益步進從最小增加到最大，測量輸出電壓的增益，改變頻率繼續(xù)測量。預置增益(dB)-12203040實際增益(dB)-52027.843.4由表格知，當步進為4dB時不能完全線性變化，但是預置的增益和實際增益還是較為接近。4、