PAGE1PAGE13增益可控射頻放大器（D題）【參賽隊編號】增益可控射頻放大器（D題）摘要:本作品以壓控增益放大器VCA821為核心，外加運放OPA847、THS3091配合，放大器的電壓增益從12dB到40dB以4dB為步長設定，控制誤差不大于2dB實現了輸出振幅可調的增益可控放大器。系統主要由四個模塊組成：前置放大電路、中間級程控放大電路、后級放大電路和電源模塊。在前級放大模塊中，用電壓反饋型放大器OPA847進行固定增益放大，同時進行阻抗匹配和噪聲抑制；中間級采用VCA821進行程控增益控制，以實現高增益、寬帶寬和增益可變的平衡；后級利用反饋型放大器THS3091進行放大；電源模塊完成對各級電路的供電。經檢驗，本方案完成了全部基本功能和部分拓展功能。關鍵詞：射頻放大器增益可控VCA821OPA847THS30911設計目標（1）放大器的電壓增益Av≥40dB，輸入電壓有效值Vi≤20mV，其輸入阻抗、輸出阻抗均為50，負載電阻50，且輸出電壓有效值Vo≥2V，波形無明顯失真；（2）在75MHz～108MHz頻率范圍內增益波動不大于2dB；（3）－3dB的通頻帶不窄于60MHz～130MHz，即fL≤60MHz、fH≥130MHz；（4）實現AV增益步進控制，增益控制范圍為12dB～40dB，增益控制步長為4dB，增益絕對誤差不大于2dB，并能顯示設定的增益值。2系統論證與比較2.1系統基本方案本系統主要由前級放大模塊模塊、中間級程控放大模塊、后級放大模塊、電源模塊組成，實現了增益可控的射頻放大，系統框圖如圖一所示。 信號輸出后級放大程控放大信號輸入信號輸出后級放大程控放大信號輸入前級放大前級放大DA轉換DA轉換電源供電液晶顯示STM32按鍵電源供電液晶顯示STM32按鍵圖一系統總體框圖（2）前級放大模塊的論證與選擇方案一：采用TI公司提供的OPA820ID芯片，采用反相輸入比例運算放大電路，提高放大倍數。方案二：采用OPA847芯片，具有超低輸入電壓電流噪聲，超高增益帶寬積，能夠有效的抑制噪聲，在放大10倍的情況下，具有3.9GHZ的增益帶寬積。綜合比較，由于方案一設計簡單，但容易產生自激振蕩，電路穩定性差。而OPA847具有0.85nv/Hz噪聲電壓，同時具有3.9GHZ的增益帶寬積，適合高倍數的放大，更適合題目要求，故選擇方案二。（3）中間級程控放大模塊的論證與選擇方案一：固定增益與電阻網絡衰減。通過前級放大電路進行固定增益放大，后級由電阻網絡衰減，如電位器，實現0~40dB范圍內增益可調。方案二：為了易于實現增益范圍0~52dB的調節，可以采用高速乘法器型D/A實現，比如AD7420。利用D/A轉換器的VRef作信號的輸入端，D/A的輸出端做輸出。用D/A轉換器的數字量輸入端控制傳輸衰減實現增益控制。方案三：使用寬帶程控集成放大器，利用VCA821進行程控放大，VCA821在增益為10dB時帶寬可達到710MHz,控制電壓在0V~2V。方案一中由于大量分立元件的引入，使得電路復雜且穩定性差。方案二雖然簡單易行，精確度高，但查閱相關資料可知：轉化非線性誤差大，帶寬只有幾kHz，而且當信號頻率較高時，系統容易發生自激，因此未選此方案，方案三在增大可調范圍的同時，為了保證中間級有足夠大的帶寬，穩定性好。綜合以上三種方案，，故選擇方案三。（4）后級放大模塊的論證與選擇方案一：利用電流反饋放大電路THS3901作為后級放大帶動負載，THS3901為電流反饋放大電路，沒有嚴格的帶寬增益積適合高頻設計，其優點是輸出電壓大。方案二：選用電流反饋型放大器OPA693作為后級放大器，是目前最快的正負5V固定增益放大器，高達700MHz的帶寬。綜合考慮上述兩種方案，都能滿足帶寬要求，但因單電源供電電路較為簡單，減小放大倍數可以提高輸出電壓的品質，減小噪聲，故采用方案一。2系統硬件設計及相關分析計算2.1增益帶寬積的分析帶寬和增益存在一定關系：直流到由反饋回路決定得主極點Ｆｃ之間，帶寬增益積恒定，在該頻率以上，如果頻率升高一倍增益就會降低一半，運算放大器的3db寬頻率就是Fc放大器帶寬增益積BW*Au=C常數，所以設計電路時進行折衷選擇。題目要求通頻帶范圍為20HZ-5MHZ,增益大于等于40dB，即Gain>=100V,故考慮多級放大器級聯。假設放大電路的高頻響應用下面單極點函數表示：帶寬增益積（GBP）是衡量放大器性能的一個重要參數。電壓反饋型運放A()=/(1+/);(2--1)式中為放大器的中頻增益，w為角頻率，為上限角頻率，當引入正反饋并假設反饋網絡的反饋系數與頻率無關的實數B時，則有：()=A()/[1+BA()];(2--2)將式（2--1）代入式（2--2）中得=(2--3)由此，反饋中頻增益為Am=Am/(1+AmB),上限角頻率為Whf=Wh(1+AmB)這說明引入負反饋后，放大電路的上限頻率擴展了擴展程度與反饋深度F有關。對本系統直流放大器，放大器下限角頻率為零赫茲，所以無饋時放大器通頻帶為BW=接入正反饋后，放大器通頻帶為B==(1+B)B(2--4)式（2—4）表明：引入負反饋后放大器通頻帶擴展到無反饋時的（1+AmB）倍。而且帶寬增益積為一常數。改善系統幅頻特性不僅考慮帶寬增益積就足夠，還有其他因素的考慮，如運放的擺率，驅動負載的能力小信號的放大后輸出信號的質量等。3電路與程序設計3.1前級放大電路第一級的作用主要是進行阻抗匹配和噪聲抑制，所以信號輸入端加了50Ω電阻接地進行匹配，并且使用屏蔽線連接信號源，從而達到阻抗匹配和抑制噪聲的作用。而電路本身又必須具有高信噪比，并盡量減少噪聲的帶入，尤其是電源方面，除了采用在總電源入口端用大電容進行濾波之外，還可以在芯片的電源入口處加10UF的電容進行濾波。并且PCB布局和布線時，信號源盡量遠離電源地。圖二為OPA847的前級放大電路圖：圖二OPA847的前級放大電路圖3.2中間級程控放大電路中間級采用兩級串聯的VCA821，它在放大20dB時的帶寬仍可以達到320MHz，滿足題目要求，其有多種配置方式，不同的配置方式隨著最大增益的提高，帶寬會下降，綜合考慮題目的要求和需要，本設計將其配置成最大增益20dB的模式，從而使其帶寬達到260MHZ以上，增益在0-52dB之間可調。圖三為VCA821程控電路圖。圖三VCA824程控電路圖3.3后級放大電路后級采用THS3091，提供了一個易于使用的寬帶，固定增益緩沖放大器，電路帶寬受增益影響較小，可以在放大的同時滿足帶寬要求，其帶寬主要受反饋電阻的影響，考慮到電路的噪聲和及供電，我們采用正負5V對其供電，使THS3091的通頻帶較高。圖五為THS3091的后級放大電路：圖四OPA693的后級放大電路3.4電源電路設計穩壓電源采用通過變壓器、7812芯片7805芯片，將220V轉化為正12V和正負5V直流電源，給各級電路供電。3.5軟件流程圖及程序開始開始系統初始化系統初始化按鍵掃描按鍵掃描AD轉換AD轉換液晶顯示液晶顯示結束結束4電路測試與調試結果4.1硬件軟件聯調全部連加起來后，通過按鍵來控制步進增益，同時連接示波器以及信號發生器，觀察顯示波形及幅值。4.2測試條件與儀器測試使用的儀器設備如表1所示。表1測試使用的儀器設備序號名稱、型號、規格數量備注1DF1731SL1ATA型直流穩壓電源1無2SDS1202DL數字存儲示波器1300MHz3F120型函數發生器1無4UNI-TUT805A數字萬用表1無4.3測試結果及分析測試結果（數據）如表2-表9所示：（1）基本要求表2輸出電壓增益值輸入電壓有效值輸出電壓有效值電壓增益表3增益波動值輸入頻率波動值表4-3dB的通頻帶寬通頻帶寬表5增益步進控制增益步長絕對誤差(2)發揮部分表6輸出電壓增益值輸入電壓有效值輸出電壓有效值電壓增益表7增益波動值輸入頻率波動值表8-3dB的通頻帶寬通頻帶寬表9電壓增益輸入電壓增益輸出電壓增益4.4系統實現的功能整機測試指標完全達到題目要求，具體見表10。因受競賽場地、實際環境等條件影響，各參數測試會因外界影響而略有誤差。表10系統實現的功能

功能實現情況實際性能

基本要求發揮部分其它

參考文獻[1]全國大學生電子設計競賽組委會.

全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編（1994～1995）

[2]全國大學生電子設計競賽組委會.

全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編（2001）[M].[3]張毅坤、陳善久、裘雪紅編著.《單片微型計算機原理及應用》.西安電子科技大學出版社.1997.[4]全國大學生電子設計競賽組委會.全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編[M].北京：北京理工大學出版社.2007.

[5]黃智偉.全國大學生電子設計競賽電路設計[M].北京：北京航空航天大學出版社.2006.

[6]塞爾吉奧?弗朗哥.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計[M].西安：西安交通大學出版社.2010.

附錄：附錄1：電路原理圖附錄2：源程序目錄TOC\o"1-3"\u第一章項目概要 11.1項目背景 11.2項目建設內容與工期 21.3投資估算和資金籌措 31.3.1投資估算 31.3.2資金籌措方案 31.4效益分析 41.4.1經濟效益 41.4.2社會效益 51.4.3生態效益 5第二章項目區概況 62.1自然概況 62.2社會經濟狀況 8第三章項目建設的必要性和可行性 103.1項目區農業發展的制約因素 103.2項目建設的必要性 103.3項目建設的可行性 13第四章水資源評價及水利工程設施 144.1項目區水資源概況 144.2水利工程措施 14第五章規劃設計 185.1指導思想 185.2選項原則 185.3建設標準 185.4道路建設 195.5建設規模 205.6規劃布局 20第六章開發任務與開發原則 226.1開發任務 226.2開發原則 22第七章投資估算與資金籌措 247.1投資估算 247.2資金來源構成及籌措方案