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设计并制作一个射频宽带放大器。

射频宽带放大器测试框图及其曲线如图1所示。

图1测试框图及其曲线

1.基本要求

（1）电压增益Av≥20dB，输入电压有效值Ui≤20mV。

Av在0～20dB范围内可调。

（2）最大输出正弦波电压有效值Uo≥200mV，输出信号波形无明显失真。

（3）放大器BW-3dB的下限频率fL≤0.3MHz，上限频率fH≥20MHz，并要求在1MHz～15MHz频带内增益起伏≤1dB。

（4）放大器的输入阻抗=50，输出阻抗=50。

二、方案论证

（一）增益调整放大器的论证与选择

方案一：

采用AD603放大器

AGC电路常用于RF/IF电路系统中，AGC电路的优劣直接影响着系统的性能。

因此设计了AD603和AD590构成的3~75dBAGC电路，并用于低压载波扩频通信系统中的数据集中器。

在很多信号采集系统中，信号变化的幅度都比较大，那么放大以后的信号幅值有可能超过A/D转换的量程，所以必须根据信号的变化相应调整放大器的增益。

在自动化程度要求较高的系统中，希望能够在程序中用软件控制放大器的增益，或者放大器本身能自动将增益调整到适当的范围。

AD603正是这样一种具有程控增益调整功能的芯片。

它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系，压摆率为275V/μs。

管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在-11～+30dB时的带宽为90Mhz，增益在+9～+41dB时具有9MHz带宽，改变管脚间的连接电阻，可使增益处在上述范围内。

该集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益控制、A/D转换量程扩展和信号测量系统。

1.AD603的特点

AD603是美国AD公司继AD600后推出的宽频带、低噪声、低畸变、高增益精度的压控VGA芯片。

可用于RF/IF系统中的AGC电路、视频增益控制、A/D范围扩展和信号测量等系统中。

（1）电源电压Vs：

±

7.5V；

（2）输入信号幅度VINP：

+2V；

（3）增益控制端电压GNEG和GPOS：

Vs；

（4）功耗：

400mW；

（5）工作温度范围；

AD603A：

-40℃～85℃；

（6）存储温度：

-65℃～150℃

2.AD603引脚排列图如图2所示。

图2AD603引脚排列图

3.AD603内部结构及原理

AD603由一个可通过外部反馈电路设置固定增益GF（31.07—51.07）的放大器、0—-42.14dB的宽带压控精密无源衰减器和40dB/V的线性增益控制电路构成。

AD603内部结构图如图3所示。

图3AD603内部结构图

AD603利用了X-AMP由一个0~-42.14dB的可变衰减器及一个固定增益放大器构成。

其中，可变衰减器由一个七级R-2R梯形网络构成，每级的衰减量为6.02dB，可对输入信号提供0~-42.14dB的衰减。

X-AMP结构的一个重要优点是优越的噪声特性，在1MHz宽带，最大不失真输出为1Vrms时，输出x信噪比为86.6dB。

4.AD603的增益，可设置为三种形式：

模式一：

将VOUT与FDBK短路，即为宽频带模式（90MHz宽频带），AD603的增益设置为-11.07dB~+31.07dB.

模式二：

VOUT与FDBK之间外接一个电阻REXT，FDBK与COMN端之间接一个5.6uF的电容频率补偿。

根据放大器的增益关系式，选取合适的REXT，可获得所需要的模式一与模式三之间的增益值。

当REXT=2.15千欧时，增益范围为-1~+41dB。

模式三：

VOUT与FDBK之间开路，FDBK对COMN连接一个18uF的电容用于扩展频率响应，该模式为高增益模式，其增益范围为+8.92~+51.07dB，带宽为9MHz.

在以上三种模式中，增益G（dB）与控制电压VG的关系曲线如图2所示。

当VG在-500mV~+500mV范围内以40dB/V（既25mV/dB）进行线性增益控制，增益G（dB）与控制电压VG之间的关系为：

GdB）=40VG+Goi（i=1,2,3），其中VG=VGPOS-VGNEG（单位为伏特），Goi分别为三种不同模式的增益常量：

GO1=10dB，GO2=10~30dB（由REXT决定，当REXT=2.15千欧时，GO2=20dB），GO3=30dB。

当VG<

-500mV或VG>

+500mV时，增益（dB）与控制电压VG之间不满足线性关系,当VG=-526mV时，Gmin（dB）=GF-42.14；

VG=+526mV时，Gmax（dB）=GF。

方案二：

采用场效应管BJT

场效应晶体管（FieldEffectTransistor缩写（FET））简称场效应管。

由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。

它属于电压控制型半导体器件。

具有输入电阻高（10^7～10^12Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。

1.场效应管的特点：

（1）场效应管是电压控制器件，它通过VGS（栅源电压）来控制ID（漏极电流）；

（2）场效应管的控制输入端电流极小，因此它的输入电阻很

（3）它是利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好；

（4）它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数；

（5）场效应管的抗辐射能力强；

（6）由于不存在杂乱运动的电子扩散引起的散粒噪声，所以噪声低。

2.工作原理

场效应管工作原理用一句话说，就是“漏极-源极间流经沟道的ID，用以栅极与沟道间的PN结形成的反偏的栅极电压控制ID。

更正确地说，ID流经通路的宽度，即沟道截面积，它是由pn结反偏的变化，产生耗尽层扩展变化控制的缘故。

在VGS=0的非饱和区域，表示的过渡层的扩展因为不很大，根据漏极-源极间所加VDS的电场，源极区域的某些电子被漏极拉去，即从漏极向源极有电流ID流动。

从门极向漏极扩展的过度层将沟道的一部分构成堵塞型，ID饱和。

将这种状态称为夹断。

这意味着过渡层将沟道的一部分阻挡，并不是电流被切断。

在过渡层由于没有电子、空穴的自由移动，在理想状态下几乎具有绝缘特性，通常电流也难流动。

但是此时漏极-源极间的电场，实际上是两个过渡层接触漏极与门极下部附近，由于漂移电场拉去的高速电子通过过渡层。

因漂移电场的强度几乎不变产生ID的饱和现象。

其次，VGS向负的方向变化，让VGS=VGS（off），此时过渡层大致成为覆盖全区域的状态。

而且VDS的电场大部分加到过渡层上，将电子拉向漂移方向的电场，只有靠近源极的很短部分，这更使电流不能流通。

3.实物图

综上所述，由于场效应管是由多子参与导电；

三极管有多子和少子两种载流子参与导电，而少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，同时由于AD603是一款宽频带、低噪声、低畸变、高增益精度的芯片，所以在射频放大电路中，我们选择了AD603作为放大器。

（二）三极管的论证与选择

9012PNP三极管。

9012三极管是一种低电压,大电流,小信号的PNP型硅三极管，它的集电极电流Ic最大为500mA，集电极-基极电压Vcbo为-40V,工作温度在-55℃到+150℃范围之内，它的主要用途是开关应用和射频放大。

它的集电极电流Ic为Max-500mA，集电极与基极电压Vcbo：

40V，工作温度的范围：

-55℃—+150，它的主要用途为开关应用与射频放大。

三极管的特性曲线是指三极管各极上的电压和电流之间的关系曲线，是三极管内部性能的外部表现。

从使用三极管的角度来说，了解它的特性曲线是重要的。

由于三极管有两个PN结，因此它的特性曲线不像二极管那样简单。

最常用的有输入特性和输出特性曲线两种，在实际应用中，通常利用晶体管特性图示仪直接观察，也可用下图的电路进行测试逐点描绘。

9012三极管工作原理及其特性曲线如图4所示

图49012三极管工作原理及其特性曲线

2N3906三极管：

2N3906其类别属于分离式半导体，该晶体管类型是PNP型，集电极的最大电流为200mA集电极发射极击穿最大电压为40V，最大功率为625mW,频率转换250MHZ，安装类型为通孔。

2N3906参数及其示意图如图5所示。

图52N3906参数及其示意图

综上所述，由于9012的主要作用是射频放大，而场效应管最主要的作用是放大，所以选择9012三极管更符合我们的设计要求。

三、理论分析与计算

（一）S参数（S．Parameter）

1.入射波和反射波

将传输线的入射电压波和反射电压波对特征阻抗而的平方根归一化，定义如下归一化的入射波a和反射波b

b=

显然，口和b的平方即为入射波和反射波的功率。

反射系数定义为反射电压波与入射电压波的比值，表示为

相应的二端口网络的模型如图所示，其中而1表示端口l的传输线特征阻抗，Z02表示端口2的传输线特征阻抗。

2.S参数定义

二端口网络的S参数模型如图所示，其中al和bl表示端口1的入射波和反射波，a2和b2表示端口2的入射波和反射波。

用端口1和端口2的入射波来表示端口1和端口2的反射波，可以得到方程

式中，参数Sl、S12、S21和S22代表反射系数和传输系数，称之为二端口网络的散射参数饵参数）。

3．参数的测量

从定义上可以清楚地看到J参数的优点。

它是在端口1和端口2匹配的条件下测量的，即口a1=0或a2=0。

例如，为了测量S11，应在输出端匹配的条件下，即az=0时，测量输入端的6加I比值。

在传输线终端连接一个与传输线特征阻抗相等的负载，可使a2=O，这是因为行波入射到这样的负载将会被全部吸收，没有能量返回到输出端口（端口2）。

其中22=7-02对应a2=0。

这样，网络的输出阻抗Zout不必与Z02匹配，实际上很少出现Zout=Z02de的情况，而利用Z2=Z02即可满足条件a2=0。

对于输入端可以采用相同的处理。

输入和输出端传输线的特征阻抗通常相等，即而Z01=Z02，设为50欧的标准值。

使用匹配阻抗负载测量晶体管S参数的优点是晶体管不会振荡。

相反，如果采用短路或开路的测试方法，晶体管可能不稳定。

（二）技术指标要求

工作频带：

108MHZ—175MHZ；

输出功率1db，压缩点：

≥40dbm；

功率增益：

40db增益平坦度≤1db；

温度范围：

-45—+75:

；

壳温电源：

28输入输出阻抗50欧。

系统总体框图如图6所示:

图6系统总体框图

总体框图设计方案图给出了射频发射模块框图，本设计中功率放大器输出功率达到10W，增益较高，线性度要求也比较高。

为满足输出功率和增益的要求，功率放大器设置为三级放大，最终输出功率不低于10W。

采取三级放大，可以分别在每一级功率放大器的设计当中，使放大器工作在额定输出功率回退到一定的程度上，满足线性度指标。

三级放大弥补了因功率回退而导致的增益不够和效率较低，在一定程度上对这些相互制约的指标进行了协调，基本满足了系统的需求。

该功率放大器工作频段较宽，线性要求较高，而且输出功率较大。

采用三级放大，第一级选用放大模块工作在小信号状态，按小信号高增益放大器设计；

推动级和末级放大选用场效应管，工作在大信号状态，按大信号高功率放大器设计。

推动级要求适当的增益，将射频信号进一步放大，推动末级放大。

同时线性度要求较高，避免输出失真信号被末级放大造成更差的输出。

作为宽带功放中的末级放大器，大信号特征比较明显，其指标性能的优劣对整体指标的影响非常重要，更需要严格要求。

（三）稳定性设计

放大器的稳定性，是放大器设计中需要考虑的非常重要的因素。

稳定性取决于晶体管的S参数，匹配网络以及置端条件。

绝对稳定的充分必要条件表述为：

对潜在不稳的晶体，管采用电阻性负载或者外加负反馈可以构成稳定电路。

本设计在放大网络端口引入反馈提高稳定性。

进行适当的调谐，可以使功率管绝对稳定，增益也较为平坦且损失较小，且噪声系数不被恶化。

四、电路与程序设计

（一）系统总体框图

系统总体框图如图7所示。

图7系统总体框图

（二）直流电源模块

直流供电电路是功放电路不可缺少的电路单元。

它为功放提供偏置电源，即在特定的工作条件下为有源器件提供适当的静态工作点，并抑制温度变化导致的工作点偏移的影响。

由于本设计中采用的是MOSFET，这种晶体管由于属于压控器件，栅级几乎没有电流，因此可以采用简单的分压形式就可以实现偏置网络设计。

通常希望偏置电路的连接不影响原匹配网络的交流性能，这就要求偏置电路对高频信号相当于开路。

所以，偏置网络不仅要设定直流工作状态还要保证直流偏置与射频信号的相互隔离。

在本设计中由于频率相对偏低选择电路结构相对较为简单的集中参数电路进行偏置设计。

前级功放模块需要12V的供电电压，而本设计为满足后两级而提供28V供电电压，通常采用两个稳压二极管，采用扼流圈进行高频滤波，高频扼流圈以阻止高频功率信号的分流，在电感的两端并联上了一个电容，这种做法就是滤波网络。

驱动级级和末级栅级偏置中加入了稳压管，稳定栅级电压，防止温度的变化引起工作点漂移而导致放大器性能变坏。

电源输入通道中，经由高频扼流圈和旁路电容后的直流信号再由一个扼流圈馈接到功放漏极。

（三）三极管的射频放大

该射频宽带放大区采用三级放大。

分别是用了两个AD603和一个9012.第一级选用放大模块，工作在小信号状态，按小信号高增益放大器设计；

推动级和末级放大选用AD603和9012工作在大信号状态，按大信号高功率放大器设计。

同是线性度要求较高，避免输出失真信号被末级放大造成更差的输出。

作为宽带功效中的末级放大器，大信号特征比较明显，其指标性能的优劣对整体指标的影响非常重要。

五、测试方案与测试结果

（一）测试方案

根据射频功放的主要设计指标，这里需要对电路的增益、S参数、输出功率进行着重的测试，以确定流片之后的实际电路是否能够满足涉及指标的要求

1.测试功率放大器芯片

芯片测试可分为三类：

在片测试、基板压焊测试和封装测试。

在片测试不需要键合封装，探针直接压在芯片的焊盘上，这种测试方法可以减小引线的寄生参数，但测试环境不是芯片应用的实际环境。

由的芯片需要在外围增加一些分立元件，如电感和电容等，这时候可以将芯片键合到介质基板上再测试。

封装测试是将芯片封装好后进行测试，芯片的测试环境就是实际工作的环境，测试救过更接近于实际应用的情况。

功率放大器芯片因为要采用片外电感，所以采取基板测试的方法。

2.测试放大器的稳定性

分析放大器的稳定性，最主要的是测量放大器的S参数，本文的测量采用R3765矢量网络分析仪。

测量前，先对网络分析仪进行双端口全校准，选择频带在500MHz至3GHz，这个宽带已远远超过该功率正常工作时的宽带，因此不会漏电可能不稳定的频率点。

测量时让网络分析仪的功率从最小开始慢慢往上升，由于功率源的响应时间较长，为了能使其跟上信号源的变化，应使扫频时间适当加长，本实验扫频时间设定为35秒。

当输出功率升到100瓦时开始测量，应选择反转系数比较大的频率点来测量。

在整个频带范围内选择好若干点以后，用MARK标志，然后测得对应频率的各个s参数。

根据射频功放的主要设计指标，这里需要对电路的增益、S参数、输出功率进行着重的测试，以确定流片之后的实际电路是否能够满足涉及指标的要求，测试结果如下：

（二）测试结果及分析

1.测试结果

表1

Freq

S11

S12

S21

S22

500MHz

0.14∠41.31

0.01∠-172.8

0.011∠72.9

0.10∠15.9

1GHz

0.24∠109.6

0.008∠51.9

0.001∠-71

0.15∠132.1

1.3GHz

0.28∠32.4

0.002∠39.13

4.676∠-54.2

0.15∠9.14

1.375GHz

0.16∠-156

0.009∠54.98

9.670∠2.64

0.10∠144.3

1.6GHz

0.41∠-19.8

0.004∠100.7

0.137∠172

0.01∠-154

1.8GHz

0.21∠-178

0.01∠-121.0

0.009∠-129

0.04∠-42.7

3GHz

0.47∠-118

0.002∠8.28

0.01∠84.71

0.73∠85.51

2.测试分析与结论

放大器的稳定性是任何一个放大器都要面临的问题，如果对放大器的稳定性不了解，则容易在运行中出现不稳定杆情况，严重时还会对设备造成比较大的损坏。

如果能实现知道放大器的稳定运行条件，就可以避免很多不必要的损失，所以对于放大器的稳定性研究是很有意义的。

由测试数据可知，题目中的要求本装置均可达到，且误差在允许的范围内，是比较精确的。

射频宽带放大器可以将小信号经过逐级放大最后输出。

经多次测试，最终得到如图8所示的测试结果

低频测试结果

高频测试结果

综上所述，观察波形可知，本装置是非常可行、合理的