射频宽带放大器.docx
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射频宽带放大器
学校名称：
哈尔滨工程大学
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指导教师姓名
2014年9月7日
射频宽带放大器
摘要：
该设计实现的射频宽带放大器，由固定增益放大部分、可变增益放大部分、单片机控制部分组成。
固定增益放大部分由宽带电流反馈型运算放大器OPA695构成，采用同相放大电路，可变增益放大部分由宽带低功耗可变增益放大器LMH6502构成。
单片机控制部分由STM32F103VBT6核心电路、键盘、12864液晶、DAC组成，通过键盘输入所需增益值并显示在LCD12864上，由单片机控制DAC输出电压来调整LMH6502增益，实现了在80KHz-120MHz的带宽范围内0-67dB的增益连续可调，带内增益稳定。
当增益大于60dB，在输入电压有效值等于1mV的信号时，负载端最大输出为1.2V有效值。
经测试，系统工作稳定，性能可靠，结构简单，满足任务设计要求。
关键词：
宽带放大、可变增益放大器、射频
目录
1、设计任务1
1.1、基本要求1
1.2、发挥部分1
2、方案论证1
2.1、宽带放大电路的设计论证1
2.2、增益控制电路的设计论证1
2.3、供电电路的设计论证2
2.4、总体方案确定3
3、理论分析与计算3
3.1宽带放大器设计3
3.2频带内增益起伏控制3
3.3射频放大器稳定性4
3.4增益调整5
3.5程序设计5
4、测试结果与误差分析6
4.1、测试仪器6
4.2、测试方案及测试结果6
4.2.1输入输出电阻测量6
4.2.2程控增益测量6
4.2.3输出噪声测量7
4.2.4带内增益起伏及上下限增益测量7
4.3、测试结果及分析8
5、结论、心得体会8
5.1、结论8
5.2、心得体会8
6、参考文献8
附录1、元器件清单9
附录2、完整电路原理图10
附录3、部分程序清单11
1、设计任务
设计并制作一个射频宽带放大器。
1.1、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=50Ω，输出阻抗=50Ω。
1.2、发挥部分
（1）电压增益Av≥60dB，输入电压有效值Ui≤1mV。
Av在0～60dB范围内可调。
（2）在Av≥60dB时，输出端噪声电压的峰峰值UoNpp≤100mV。
（3）放大器BW-3dB的下限频率fL≤0.3MHz，上限频率fH≥100MHz，并要求在1MHz～80MHz频带内增益起伏≤1dB。
该项目要求在Av≥60dB（或可达到的最高电压增益点），最大输出正弦波电压有效值Uo≥1V，输出信号波形无明显失真条件下测试。
（4）最大输出正弦波电压有效值Uo≥1V，输出信号波形无明显失真。
（5）其他（例如进一步提高放大器的增益、带宽等）。
2、方案论证
根据题目要求，系统需在较宽的频带内实现0~60dB的增益可调，且具有较好的带内平坦度，实现的关键和难点技术在于宽带放大、增益控制电路的设计。
2.1、宽带放大电路的设计论证
方案一：
选用分立的射频三极管或场效应管实现宽带放大，射频分立元件具有带宽高、调节灵活的优点，能以相对低廉的成本实现较高的性能，但其参数设计复杂、调试难度较高。
方案二：
采用运算放大器搭建放大电路，运算放大器的参数设置较分立元件简单，随着工艺水平的提升，高速高带宽的运放已不罕见，其中高速运放分为电压反馈型运放和电流反馈型运放，由于电压反馈型运放存在增益带宽积的限制，基于题目要求实现截止频率为100MHz的宽带放大要求，因此选用高速电流反馈型运放更为合理。
方案三：
使用集成射频宽带放大芯片。
集成射频芯片具有低噪声，电路简单，灵敏度比较高等优点，但大部分集成射频芯片增益固定，在不同频带内具有不同的倍数，使得信号在通频带的平坦度难以保证。
2.2、增益控制电路的设计论证
方案一：
使用双栅场效应管实现增益控制，双栅场效应管工作频率很高，且具有高跨度、低噪声系数、低反馈电容的优点，但双栅场效应管的匹配困难且使用较为复杂。
图1方案一原理框图
方案二：
通过单片机对继电器的切换实现40dB、60dB、80dB的增益档位，并利用乘法型DAC将输入信号作为参考电压，实现-20dB到0dB的衰减及每一档位内增益的连续可调，由于DAC具有较大的输入、输出幅度和较高的增益分辨力，可采用程序校准控制增益起伏。
增益控制电路的带宽选择决定了系统的整体性能，使用DAC的衰减可实现高精度的增益控制，方法巧妙，但由于题目要求带宽为300kHz到80MHz，而乘法型DAC本身固有的乘法带宽难以满足如此宽带要求。
图2方案二原理框图
方案三：
使用高带宽的乘法器将输入信号与DAC输出的直流电压进行乘法变换，当DAC输出电压改变时系统的输出也能随之发生改变，乘法器输出信号不稳，噪声引入很大，不能满足要求。
图3方案三原理图
方案四：
选用VGA芯片实现程控增益，由MCU控制DAC输出电压作为参考电压改变VGA芯片的增益，配合其余放大模块，实现增益连续可调。
VGA芯片是一个较好的选择，不同VGA的衰减放大性能都不相同，例如AD8367增益范围为正，无法对信号进行衰减，而切换权电阻衰减网络需要控制大量的继电器，电路形式较复杂，容易引入不必要的干扰，LMH6502的-40dB至20dB增益控制则恰好满足题目要求。
图4方案四原理图
2.3、供电电路的设计论证
方案一：
系统使用同一电源供电，输入端采用电容和磁珠组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分，供电简单，但各级之间电源容易相互干扰，该供电方式未被采用。
方案二：
制作多路电源对各级模块独立供电，完全独立各级电路的静态工作点，但是为每一个电路都制作一个电源电路的硬件复杂度会大大提升。
方案三：
各级电路由稳压芯片隔离供电，减少各电路之间供电电压的相互影响，在三个方案中最为可取。
2.4、总体方案确定
题目要求系统在全频带内实现较稳定的增益，系统设计应考虑放大电路的级间匹配以及电路板布局布线引起的信号完整性问题，电路结构本身应该尽可能简单，防止信号反射和串扰的产生。
运算放大器对信号的放大有着更好的带内平坦特性，所以将它作为放大级使用。
通过方案之间的比较，本系统采用超宽带电流反馈型运放OPA695实现固定增益放大，为避免运放的噪声对系统造成影响，选用双刀双掷继电器，彻底将放大级与信号隔离。
级间均串联一50Ω电阻使其阻抗匹配。
由STM32F103VBT6单片机控制12位数模转换器TLV5616改变LMH6502的电压增益，并将其在液晶上显示。
方案总体原理图如图5所示。
图5总体方案原理图
3、理论分析与计算
3.1宽带放大器设计
本系统采用三级同相放大电路、一级VGA控制电路组成。
系统前置一级20倍的固定放大实现小信号的放大和噪声抑制，固定放大后级连接0及20倍可选放大电路，使用在通频带内对信号影响很小的HRS2H-S-DC5V双刀双掷继电器实现切换功能，系统应合理配置可变增益控制电路的放大倍数以保证电路在要求频段内拥有足够的带宽，同时考虑运放的满功率带宽，最本系统后一级应采用0及10倍放大电路，级间使用LMH6502实现0.1至2倍的增益控制，实现60dB的增益控制，经测试在2倍增益条件下LMH6502的带宽及平坦度满足题目要求。
3.2频带内增益起伏控制
系统使用运算放大器时，电路的性能必然受到运放增益带宽积的限制，本系统通过使用超高带宽的电流反馈型运放做为放大级，程控增益级采用负反馈技术使电路输出返回到输入端并使输入信号减弱降低增益来展宽频带，并在前后级适当提高放大倍数减小LMH6502的放大增益控制，提高了LMH6502的带宽使得整体通带内电压变化平缓，经测试满足系统要求，避免了多余的软件校正。
图6LMH6502增益控制电路
3.3射频放大器稳定性
系统采用的由运放搭建的同相放大电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。
在高频宽带情况下当输出的阻抗不匹配时，信号会产生反射，使得输出波形发生混叠引起波形失真。
为解决级间反射，本系统对运放的输出进行串行匹配，匹配阻值为50Ω，在牺牲放大倍数的同时实现了最大功率传输并解决了反射问题，同相放大电路如图7所示。
图7同相放大电路
系统的供电设计也应加以考虑，从示波器观察电源的输出，波形中含有较大的脉动成分，对于类似于本系统的高增益放大，纹波可能会造成系统自激，为获得比较理想的直流电压，本系统采用电容和磁珠组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分。
同时采用稳压芯片对每一级电路进行隔离供电，使其相互独立工作。
稳压芯片隔离电路如图8所示。
图8正负稳压芯片
3.4增益调整
由于系统中VGA芯片的输入超过一定值时放大信号会产生失真现象，因此有必要在不同增益时合理的分配增益。
当增益范围为0~20dB时，两继电器全部断开，依靠第一级的固定20倍放大与LMH6502提供增益；当增益范围为20~40dB时，为避免LMH6502输入信号过大，优先级联后一级继电器；当增益范围大于40dB时，两继电器全部开启，LMH6502放大倍数在0.2~2倍以内可调。
增益分配如表1所示。
表1增益控制分配
增益范围
0~20dB
20~40dB
40~60dB
继电器1
断开
断开
开启
LMH6502
0.1~1倍调节
0.2~2倍调节
0.2~2倍调节
继电器2
断开
开启
开启
3.5程序设计
本作品MCU采用基于Cortex-M3内核的STM32单片机控制增益调节。
由键盘输入所需增益值并显示在LCD12864上，单片机对相应继电器及LMH6502作出相应操作改变系统增益大小。
程序流程图如图9所示。
图9程序流程图
4、测试结果与误差分析
4.1、测试仪器
表2测试仪器表
序号
仪器名称
1
TDS3054B500MHZ5GS/s泰克示波器
2
F120型数字合成函数信号发生器
3
SG2270超高频毫伏表
4.2、测试方案及测试结果
4.2.1输入输出电阻测量
输出电阻测试：
用信号源给系统输入端一个电压，在系统输出端测量信号，测量完成后接上50负载再次测试输出幅度，经计算就可得到输出阻值。
输入电阻测量：
用信号源给系统输入端一个电压，在系统输入端测量信号，看信号的衰减幅度，并在空载时测量信号源输出幅度，经计算就可得到输入阻值。
表3程控增益测量数据阻值单位：
输入阻值
输出阻值
50
50
4.2.2程控增益测量
调整信号源输入电压Vrms为1mV，系统输出级接50Ω电阻到地作为负载，将示波器设置为1MΩ，按键输入需要的放大倍数，用示波器观测输出波形幅度是否符合要求，具体数据如表4。
表4程控增益测量数据幅度单位：
测试倍数
1
5
10
25
50
理论输出
1.0
5.0
10.0
25.0
50.0
实际输出
1.05
5.1
10.1
25.7
50.2
误差
5.0%
2.0%
1.0%
2.8%
0.4%
测试倍数
100
250
500
750
1000
理论输出
100
250
500
750
1000
实际输出
100
257
503
755
999
误差
0.0%
2.8%
0.6%
0.7%
0.1%
4.2.3输出噪声测量
输入有效值为1mV、频率1MHz信号，调整放大增益，从示波器上读得电压增益为60dB，此时将信号源与系统断开，输入端短路到地，此时观测噪声的峰峰值。
表5输出端噪声值幅度单位：
输出端噪声值
148
4.2.4带内增益起伏及上下限增益测量
保持输出电压
，此时保持信号源输出幅度不变，改变信号源的频率，在波形无明显失真情况下测量输出信号的幅度，直到其降为输出电压的0.707倍。
表6通频带电压增益测量数据幅度单位：
频率单位：
输入信号频率
输出幅度
0.08
0.710
0.30
0.927
1.00
0.953
10.0
1.020
20.0
1.040
30.0
1.050
40.0
1.050
50.0
1.060
60.0
1.060
70.0
1.030
80.0
0.974
90.0
0.922
100
0.886
110
0.752
120
0.710
得当幅度衰减为原来的0.707时，通频带为80KHz至120MHz
在1-80MHz带宽范围内，
dB≦1dB，达到发挥部分指标要求。
4.3、测试结果及分析
通调试，系统达到了以下指标：
1.输入输出阻抗为50Ω；
2.电压增益Av=60dB输入电压为1mV时Av在0-60dB可调；
3.当Av=60dB时，输出端噪声峰峰值
=148mV；
4.放大器下限频率
上限频率
；
在1-80MHz带内增益起伏=0.744dB；
5.最大增益在输入信号为0.45mV时为67dB最大正弦波有效值输出
。
由测试可以发现系统的噪声未达到指标要求，这可能是由于单层板地回流不足，OPA695前级同相输入接法是共模抑制比不够高造成，尽管已经考虑了电源滤波和阻抗匹配，但噪声仍未消除，后级增加一级LC滤波器后问题也未解决，这也是以后学习的重点。
5、结论、心得体会
5.1、结论
本系统采用结构简单的四级放大电路，设计时充分考虑信号之间的阻抗匹配，合理分配各级增益，高速PCB板加以电压滤波隔离和信号回流考虑，考虑了电路本身的电磁兼容，实现了题目要求的宽带放大要求，使得波形失真度小，避免了软件繁琐的矫正，整体电路稳定可靠。
5.2、心得体会
此次大学生电子设计大赛让我们初步了解并学习了宽带运算放大器的设计技术、高速PCB设计技术、电路信号完整性和电磁兼容性的技术基础，领会了阻抗匹配在高频电路中的重要性，锻炼和提高了工程实践能力。
通过参加此次竞赛，我们都感觉到个人能力都得到了很大提升。
6、参考文献
[1]阳昌汉.《高频电子技术基础》.哈尔滨工程大学出版社
[2]惠意欣.《运算放大器:
理论与设计》.清华大学出版社
[3]童诗白.《模拟电子技术基础》.清华大学出版社
[4]Marki.montrose《电磁兼容的印制电路板设计》.机械工业出版社
[5]松井邦彦.《OP放大器应用技巧100例》.科学出版社
附录1、元器件清单
元器件
数量
LMH6502
1
OPA695
3
继电器HRS2H-S-DC5V
2
stm32f103vbt6
1
LT1763-5
3
LT1175-5
3
附录2、完整电路原理图
附录3、部分程序清单
#include"stm32f10x.h"
#include"tlv5616.h"
#include"lcd_12864.h"
#include"key.h"
#include"gain.h"
externfloatDisVal;
//**********************************
intmain（void）
{
/*SystemInit*/
Lcd_Init（）;
Key_Init（）;
TLV5616_Init（）;
ControlMod_Init（）;
while
（1）
{
/*LCDBackgroundInit*/
Input_Mode（）;//设置系统增益
System_Amp_Config（DisVal）;//按输入执行更改
}
}
//**********************************
voidtlv5616_da（floatvoltage）//TLV5616转换函数
{
u8i;
u16da;
da=（voltage*2048）//基准电压采用2.048V电压基准芯片
tlv5616_cs_L;//Vout=2*Vref*CODE/4096
tlv5616_fs_H;
da_delay（）;
tlv5616_fs_L;
for（i=0;i<16;i++）
{
tlv5616_clk_H;
if（da&0x8000）
{
tlv5616_data_H;
}elsetlv5616_data_L;
tlv5616_clk_L;
da<<=1;
da_delay（）;
}
tlv5616_fs_H;
da_delay（）;
tlv5616_cs_H;
}
//*****************************************
voidRelays_Control（u16Relays）
{
GPIO_ResetBits（GPIOB,Relays）;
}
//*************************************voidRelays_Reset（u16Relays）
{
GPIO_SetBits（GPIOB,Relays）;
}
//*************************************voidLMH6502_GainConfig（floatamp）//
{
floatvoltage;
unsignedlonglonginttemp=0;
u32temp2;
temp2=（u32）（amp*1000）;
if（amp>100）temp=50000*temp2+63100000000-18*temp2*temp2/1000;
elseif（amp<100&&>10）temp=510000*temp2+63060000000-1800*temp2*temp2/1000;
elseif（amp<10）temp=3300000*temp2+62460000000-110000*temp2*temp2/1000;
voltage=temp/100000000000;
//voltage=amp*D
tlv5616_da（voltage）;
}
//******************************************
voidSystem_Amp_Config（floatdesire_amp）//系统增益改变
{
if（desire_amp<=10）
{
LMH6502_GainConfig（desire_amp）;
Relays_Reset（Relay_1|Relay_2）;
}
elseif（desire_amp>10&&desire_amp<=100）
{
LMH6502_GainConfig（desire_amp）;
Relays_Reset（Relay_2）;
Relays_Control（Relay_1）;
}
elseif（desire_amp>100&&desire_amp<=1300）
{
LMH6502_GainConfig（desire_amp）;
Relays_Control（Relay_1|Relay_2）;
}
}
//**********************************
voidInput_Mode（char*a,char*b,char*c,char*d）
{
//chardisval[2];
LCD_Write_String（1,0,a）;
LCD_Write_String（2,0,b）;
LCD_Write_String（3,0,c）;
LCD_Write_String（4,0,d）;
while（INPUT_ENABLE）
{
if（KeyVal==14）
{
INPUT_ENABLE=0;
KeyVal=RESET;
}
}
Input_Value（3,2,5）;
INPUT_ENABLE=1;
}
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