射频宽带放大器报告终版Word文件下载.docx

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一、方案论证

1.60dB增益设计

宽带运放实现，采用高带宽，大压摆的宽带运放实现60dB放大。

由于运放具备高开环增益、高输入阻抗和低输出阻抗，所以由运放够成的放大器电路具备较好的线性，但由于运放的高开环增益以及反馈机制的存在，运放电路频率响应一般比较差。

采用OPA847作为第一级放大，具有超低输入电压电流噪声，超高增益积带宽。

在放大十倍的情况下，OPA847具有3.9GHz的增益带宽积。

2.放大增益可调设计

方案一：

固定增益与电阻网络衰减。

通过前级放大电路进行固定增益放大，后级由电阻网络衰减，如电位器，实现0～60dB范围内增益可调。

方案二：

采用压控放大器。

采用压控放大器（VCA），其增益可由外部电压控制，实现一定范围内增益可调。

采用VCA824，放大两倍小信号时带宽达到710MHz，压控电压范围为-5V~+5V，最大增益可调为20dB

对于方案一，电路简单，易于实现。

到那时由于输入信号较大，在高频电路中，电阻易产生热噪声，同时具有电容和电感特性，对信号造成干扰。

综合考虑故采用方案二，采用VCA824且采用两级级联的方式，在增大可调范围的同时，保证中间级有足够的带宽。

3.后级电压放大模块的选择

利用电流反馈放大器（THS3091）作为后级功放带动50的负载，THS3091为电流反馈放大器，没有严格的增益带宽积，适合高频设计，且具有优点为输出电流大。

系统框图如下：

二、电路设计

1.前级放大电路：

第一级选择的放大芯片为OPA847,设计将其配置成10倍的放大倍数，用5V电源供电，能够很好的实现降噪并拓展带宽的要求。

电路图可以在TINA或者Multisim中仿真。

2.中间级放大电路：

中间级采用两级串联的VCA824,它在放大20dB的时候带宽仍可达到320Hz，满足要求，有多种配置方式，在不同的配置方式随着最大增益的提高会有所下降，综合考虑题目要求，将其配置为最大增益为20dB的模式，并采用两级串联，可以有更大的可控范围，从而满足题目要求：

在0～60dB可调。

由于高增益，直流零点温漂必须被考虑在内，故在两级之间加入抑制零点漂移电路，以使信号放大不失真。

3.后级放大电路

后级采用THS3091，是电流反馈放大电路，优点在于电路带宽受增益影响较小，可以放大的同时满足带宽要求，带宽主要受反馈电阻的影响，根据THS3091芯片手册上的电路对其外围电路进行设计，考虑到系统噪声和供电，采用5V对其供电。

由于前三级放大倍数基本达到预定要求且为了使带宽达到要求，所以该级设定较小的电压增益倍数仅为1.1倍。

发现带宽平坦度较好，能满足题目的带负载能力。

4.压控电路

采用LM324和MC1403,组成压控部分。

LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器，具有真正的差分输入。

与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。

该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。

共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

三、理论分析与计算

1.增益分配计算

电压反馈型运算放大器的增益和带宽之间存在一定的关系，增益越高，带宽越窄，增益带宽积：

BWAv=C（常数）

所以在设计放大器的时候，应该在增益和带宽之间折衷选择。

按照题目发挥部分的要求，信号通频带为0.3～100MHz，最大电压增益Av>

60dB，最小增益带宽积为：

100M1000=100GHz.

同时题目要求电压增益B，因此本系统采用多级压控放大实现B增益可调。

考虑到第二级输入大于200mV时易失真，因此第一级输出信号不易过大，故前级采用固定增益，由宽带高压摆率运放OPA847实现10倍增益（20dB）。

中间级通过压控放大器VCA824实现0.05～5V/V增益可调。

VCA824带宽350MHz，增益范围0～30dB可调，采用两级级联，可以有更大的可控范围，增益可调范围已达到0～60dB的要求。

2.带宽计算

B1=460MHzB2=320MHzB3=195MHz

系统通频带由三级放大电路共同决定。

满足0.3～100MHz的通频带要求。

3.频带内增益起伏控制

经过上面的合理分配各级增益，使得各级带宽满足要求，四级级联后，1～80MHz内增益起伏小于1dB。

为了尽可能排除其他因素影响增益起伏，选用OPA847作为第一级放大，根据OPA847Datasheet提供，其增益为G=12时，带宽高达600MHz。

中间级的VCA824在一定频带内输出信号会有波动，根据VCA824Datasheet提供，在压控电阻端控制进行频率补偿，可扩展信号频带，使输出信号增益稳定。

调节直流偏置，最终达到1～80MHz内增益起伏为0.9dB左右。

4.射频放大器稳定性分析

由于系统输入信号频率为0.3~100MHz，信号有效值小于1mV，放大器在工作过程中容易引入噪声。

因此，本次设计前级固定增益放大电路，第一季增益较低（10倍），减小噪声对后级的影响，提高稳定性。

同时，为提高高频下的电路性能稳定性，降低噪声影响，电路中所有芯片的电源接口采用10μF与0.1μF电容滤波。

另外，电路全部使用贴片式封装的芯片、电容、电阻，并在电路板设计中将电源层、地层与信号层分开，而且十分注意线路的走向、交互等细节，尽可能地使电路有更好的高频下工作性能。

四、系统测试

1.测试仪器

1）数字示波器

2）DDS函数信号发生器

3）数字万用电表

2.测试方案及测试条件

1）电路仿真与级联调试

运用仿真软件先对每一级电路进行仿真，调整参数，达到要求后焊接电路，进行单级测量，包括是否达到预定增益指标，增益起伏是否满足要求等。

成功后，将四级级联，整体测试，初步得出结果，再将电路进行固定，调整布局，进行指标测量及电路参数修改，最后进行装箱测试。

2）测试条件

检查多次，仿真电路与硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

3.测试结果与分析

将各级电路级联起来,模拟电压输出至VCA824，手动调节增益。

测试最大放大倍数、带宽、噪声，测试相关参数。

1．宽平坦度、截止频率测试:

当供电电压为±

5V时,输入有效值Ui=1mV，使得增益为55dB时,测量出输入信号频率与增益之间的关系。

结果0-80MHz内，电路的频率特性曲线在接近80MHz时略有起伏但基本满足起伏小于1dB的要求。

另外测得下限截止频率为0.1MHz以下，上限截止频率为180MHz左右。

当增益大于55dB后，电路发生明显的高频振荡，经多次调试后仍无法消除，据推测原因是电路中的电容值未能匹配好，理论上可以通过超前补偿解决，但由于电路板空间较小未能实现。

2．噪声测试:

在增益大于60dB的情况下,将输入接地,测得输出噪声较大。

原因可能为焊接的时候未能将不同电路模块很好的隔离开。

3．增益特性测试:

当供电电压为土5V,输入信号频率为10MHz,最小输入为1mV有效值时,输出最大为峰峰值3.664V。

当输入为20mV有效值时,输出最小为峰峰值20mV。

基本满足对电压增益的要求。

五、作品成效总结分析

根据实际测量表明，选用OPA847，VCA824，THS3091，MC1403，LM324分别作为前级放大，中间级放大，后级放大和控制电路的电路组合，可以满足输入1mV有效值时，增益在0～55dB可调，1～80MHz范围内增益起伏小于1dB，下限频率为0.1MHz，上限频率为180MHz，以及输出电压，噪声，输入输出阻抗等性能要求。

六、参考资料

黄智伟.射频小信号放大器电路设计.西安：

西安电子科技大学出版社，2008

钱振宇.开关电源的电磁兼容性.北京：

电子工业出版社，2005

康华光.电子技术基础（模拟部分）.武汉：

高等教育出版社，1979

OPA843芯片手册

VCA824芯片手册

THS3091芯片手册

LM324芯片手册

MC1403芯片手册

七、附录

电路原理图