射频宽带放大器可行性设计研究方案.docx
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射频宽带放大器可行性设计研究方案
射频宽带放大器可行性设计研究方案
摘要
本作品选用低噪声放大电路，滤波电路，压控增益放大电路，功率放大电路等电路模块来完成放大器的各项指标。
低噪声放大电路用于放大输入的微弱信号同时减少等效输入噪声。
滤波电路分为截止频率不大于300KHz的高通滤波电路和截止频率不小于100MHz的低通滤波电路，保证输入信号的带宽至少在0.3MHz～100MHz范围内。
压控增益放大电路选用VCA821可控增益放大器为主控芯片，通过程控电压来调节电路的放大倍数。
在后级增加功率放大电路或者跟随器，增强电路带负载能力，继而使得输出阻抗满足要求。
整体电路要求在0.3MHz～100MHz频带内，电压增益不小于60dB，输出信号波形无明显失真。
经测试电路，放大器的基础部分可达到指标，误差均在可控范围内。
通过小信号继电器选择通道实现不同的放大倍数，最终电压增益能达到60dB，且能实现在0～60dB范围内可调。
关键词：
低噪声放大；滤波；程控放大；VCA821
1方案设计与论证
1.1总体方案描述
射频宽带放大器要求输入信号的电压有效值Ui不大于1mV，属于极微弱信号，因此在电路中检测时需要对信号进行低噪声放大。
由于题目要求放大器的带宽在0.3MHz～100MHz，滤波电路是整体电路中不可缺少的一部分。
电压增益可调采用压控增益放大器，通过MSP430F149单片机控制电压变化，根据VCA821压控增益放大器的放大倍数（dB）与控制电压呈线性变化这一特性，在外部设定不同的参考电压同时配合各级放大电路可以实现0～60dB范围内可调电压增益。
由题目可知，其主旨是在设定好的频带范围内改变输入信号的频率，设计出在不同频率下，电压增益不小于60dB的放大电路，在放大电路的基础上继续扩展功能。
方案一：
对输入的小信号先滤波后进行放大，在后级的放大电路中可能会掺入杂波，影响输出结果。
方案二：
对输入信号先进行低噪声放大后滤波，然后把单端信号转为差分信号，用于抑制共模噪声，再经过压控可调放大，最后用继电器选择不同的放大。
经论证，为了使得整体电路的误差降到最小，选择方案二。
系统框图如图1-1所示。
图1-1系统框图
1.2放大电路
本题要求输入信号有效值Ui≤1mV，属于极微弱信号，为便于后级电路的检测同时减小等效输入噪声，需对输入信号进行低噪声放大。
方案一：
采用分立元件（如三极管）进行放大电路的设计，此方案元器件成本低，但是在实际电路中，焊接比较复杂，测试也复杂，不便于整体电路检测，但是这是放大电路的基础，在设计比较简单的放大电路是可以考虑此方案的。
方案二：
采用低功耗、电压反馈型集成运算放大器THS4021为放大电路的主控芯片用来放大输入端口的极微弱信号，THS4021芯片的最大带宽可达到350MHz，完全可以满足题目100MHz的带宽要求，而且使用集成芯片设计放大电路比较简单，遇到问题后方便检查，并且可以减小电路的误差。
经论证，为便于后级电路的测试，选用集成芯片THS4021来设计低噪声放大电路，即选择方案二。
1.3滤波电路
放大器要求输入信号的频率至少在0.3MHz～100MHz范围内，即放大电路的带宽下限截止频率fl≤0.3MHz，上限截止频率fh≥100MHz，需要设计截止频率为300KHz的高通滤波电路和截止频率为100MHz的低通滤波电路。
在本电路中，设计低通滤波电路保证带宽至少在100MHz内。
方案一：
设计有源滤波器。
有源滤波电路由无源元件和有源器件构成，其优点是在通频带内信号不仅能量损耗少，还可以放大信号，负载效应不明显，多级级联时相互影响较小，并且滤波器体积小，不需要磁屏蔽；缺点是通带范围受有源器件的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不好，在高频、高压、大功率的场合不适用。
然而，题目明确要求输入信号为高频信号，故此方案不可用。
方案二：
设计无源滤波器。
无源滤波电路仅由无源器件（R、L、C）组成，这类滤波器的优点在于不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时，滤波器的体积和重量都比较大，不适合在低频域使用，在高频域使用比较合理。
题目是射频宽带放大器，即输入信号为高频信号，相比较与方案一，方案二适合本作品的电路设计，故选择方案二。
1.4压控增益放大电路
压控增益放大电路通过程控电压来调节电压增益，在选取主控芯片的过程中既要使电路中电压增益在0～60dB范围内可调，又要使运算放大器的增益可调带宽不小于题目限定的带宽。
方案一：
选取VCA810为主控芯片设计压控增益放大电路，通过VCA810能够实现电压增益0～60dB范围内的变化，但是该芯片的压控增益功能在输入信号为35MHz内可以实现，若输入信号频率超出这一带宽，增益可调功能将不能实现，而题目要求的带宽在0.3～100MHz内，因此以VCA810为主控芯片的压控增益放大电路不可取。
方案二：
选取VCA821为主控芯片设计压控增益放大电路，当输入信号频率小于在320MHz时，VCA821具备程控电压调节电压增益这一性能，题目要求输入信号在0.3MHz～100MHz范围内，因此VCA821完全满足题目要求。
经上述论证，选取方案二设计压控增益放大电路。
2理论分析与计算
2.1放大倍数的确定
射频宽带放大器要求的电压增益AV≥60dB，首先设计低噪声放大电路实现20dB的放大，低噪声运算放大电路的基本原理是模拟电子技术中的同相比例运算电路，同相比例运算电路如图2-1所示。
图2-1同相比例运算电路
由同相比例运算电路可知，该电路为闭环放大电路，图中的R14为反馈电阻，根据理想运放的“虚短”和“虚断”，该电路的闭环电压放大倍数如公式（2.1）所示。
Auf=1+R14/R15（2.1）
该电路实现了同相比例运算，其值决定于R15和反馈电阻R14，而与集成运算放大芯片内部各项参数无关。
电路中的R16对运算结果没有影响，只是为了提高集成运放输入级的对称性，以便消除集成运放的偏置电流及其漂移的影响。
本方案选用低功耗、电压反馈型运算放大器THS4021来设计低噪声放大电路。
2.2滤波电路
为满足题目要求的带宽在0.3～100MHz内，设计了RC高通滤波电路。
RC高通滤波电路的截止频率fh=1/（2πRC）（R为电阻值，C为电容值），根据不同的截止频率，设定不同的电阻值和电容量，通过滤波电路限制输入信号的带宽。
2.3压控增益放大电路
本方案采用程控电压调节电压增益，即通过单片机输入不同的电压值来控制电压增益，在给压控增益放大器VCA821输入在0～2V变化的电压值后，通过示波器测量VCA821的输出电压并求得增益，电压增益在-20dB～20dB范围内变化，由前级20dB放大电路、压控增益放大电路、OPA695控制的20dB放大电路结合可以实现0～60dB的变化，达到增益可调的性能。
2.4输入和输出阻抗
放大器要求输入和输出阻抗均为50Ω，在输入和输出信号的端口分别并联50Ω电阻来满足题目要求。
2.5射频放大器稳定性
射频放大器的稳定性问题非常重要，是保证电路安全稳定运行的必要条件，在实际电路中，若产生信号源阻抗或者负载阻抗与射频放大器网络不匹配的情况，电路产生反射，在某些频率下可能是正反馈，从而导致射频放大器自激，影响电路分析。
在放大器系统中，ΓS即信号源反射系数，Γin是输入反射系数，Γout是输出反射系数，ΓL是负载反射系数。
如果把放大器看作是一个二端口网络，外接信号源输入和负载输出，其稳定性条件应符合公式（2.2），（2.3），（2.4）和（2.5）所示。
ΓS<1（2.2）
ΓL<1（2.3）
|Γin|=|（S11-ΔΓL）/（1-S22ΓL）|<1（2.4）
|Γout|=|（S11-ΔΓL）/（1-S22ΓL）|<1（2.5）
2.6频带内增益起伏控制
本设计中，要求通频带内增益起伏控制在1dB以内，本设计采用的是巴特沃斯滤波器,巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，虽然在阻频带内缓慢下降为零，但可以通过增加滤波器阶数来加快阻带内的衰减。
经过仿真软件的设计，7阶椭圆滤波电路可使指标达到要求，提高放大器在通频带内的稳定性。
3硬件和软件设计
3.1低噪声放大电路
由于输入信号属于极微弱信号，为了便于后级电路检测输入信号，以及减弱等效输入噪声，在信号输入端选择以THS4021为主控芯片的低噪声放大电路。
放大电路如图3-1所示。
图3-1低噪声放大电路
由图3-1所示，R4和R5为反馈电阻，电压放大倍数记为AV1，根据前面理论分析可得：
AV1=1+[（R4+R5）/R6]=10，相应的电压增益G=20lg（AV1）=20dB，简单的放大电路将输入信号放大十倍。
设计好的电路经过Multisim11.0电路仿真后，仿真的结果完全达到要求，仿真图如图3-2所示。
图3-2低噪声放大电路仿真图
3.2滤波电路
放大器要求输入信号的频率在0.3MHz～100MHz范围内，所以需要在低噪声放大电路后级加入滤波电路，限定输入信号的带宽，在Multisim11.0仿真软件中仿真出来的波形如图3-3所示。
图3-3带宽仿真图
3.3单端转差分放大电路
为了抑制共模噪声，提高信噪比，需要将前级单端输入信号转为差模输入信号，故设计单端转差分放大电路。
电路如图3-4所示。
图3-4单端转差分电路
3.4压控增益放大电路
利用程控电压调节电压增益这一特性可实现电路增益在0～60dB范围内可调，选取压控增益芯片VCA821。
VCA821在频率为350MHz范围内可实现电压增益可调。
根据芯片的功能特性，设计出来的电路如图3-5所示。
图3-5压控增益放大电路
3.520dB放大电路
为使电路的放大倍数达到60dB，在后级增加增益为20dB的放大电路，该电路选用OPA695为主控芯片，放大电路如图3-6所示。
图3-620dB放大电路
3.6缓冲电路
在信号经过前级放大后，电路的带负载能力降低，需在放大电路后加一级由运算放大器OPA691构成的功率放大电路，用以提高电路的带负载能力，并且满足输出阻抗为50Ω，缓冲电路如图3-7所示。
图3-7功率放大电路
在焊接信号放大器时，要注意地线的布局，尽量使地线环绕电路一周，焊锡要平滑，以防信号通过焊锡发射出去，影响整体电路的效果。
3.7软件设计
作品要求实现电压增益可调，本方案采用MSP430F149单片机控制矩阵键盘和LCD显示屏共同完成这一要求，通过单片机给矩阵键盘设定不同的电压值，然后根据压控增益放大芯片VCA821的特性来实现在不同的输入电压值下对应电路不同的增益。
4测试数据分析
4.1测试仪器及型号
UTT4102C数字示波器；
SDG5162信号源；
自制可提供±12V，±5V的稳压电源；
超高频毫伏表;
数字万用表。
信号源提供输入信号，在经过低噪声放大电路,滤波电路，压控增益放大电路，功率放大电路后,使得输入信号的电压值放大到设定好的值,并且显示在示波器上,便于观察,分析数据。
4.2主要测试结果与数据分析
4.2.1输入阻抗测试
给电路供电±5V，输出对地短路，用数字万用表测量两输入端之间电阻。
测得结果为R=49.8Ω。
分析可得，输入阻抗并联了一个很大的外部阻抗，因此实际测量的输入会比理论值小一点。
4.2.2高通滤波测试
高通滤波电路的截止频率为300KHz,用信号发生器输入固定幅值，频率变化的几组信号，用来检验滤波电路的截止频率，测试结果如表4-1所示。
表4-1高通滤波电路测试表
频率/MHz
0.1
0.22
0.29
0.30
0.62
3
20
增益/dB
测量值
-8.00
-3.58
-3.38
-2.89
-0.68
-0.11
0
理论值
-8.772
-3.66
-3.22
-3.00
-0.814
0
0
4.2.3放大电路测量表
用信号发生器给系统输入几组幅值不同的信号，找出各级放大电路的测试点，并且设定压控增益电路的放大倍数为10dB,根据各级放大倍数求得测量值，测试结果如表4-2所示。
误差结果分析:
由于测试电路中示波器的探头、仪器的内阻等客观因素，都影响输出信号的放大倍数，但是误差都在可控范围内，对整体电路的影响不是很大。
表4-2各级电路放大倍数测量表
输入信号幅值/mV
1
10
20
28
第一级放大幅值/mV
测量值
9.95
98.7
187.2
278.0
理论值
10
100
200
280
第二级放大幅值/mV
测量值
99.7
979
1940
2769
理论值
100
1000
2000
2800
第三级放大幅值（输出信号）/mV
测量值
992
9950
19350
26780
理论值
1000
10000
20000
28000
4.2.4压控增益数据分析
对压控增益放大电路进行测试，通过外围电路输入不同的电压值来调节电压放大倍数。
电压增益的各项数据如表4-3所示。
表4-3电压增益变化表
输入电压值/V
实际输入值
2
1.5
0.5
0
芯片上电压
-2
-1.5
-0.5
0
电压增益/dB
测量值
19.8
9.7
-9.6
-19.6
理论值
20
10
-10
-20
4.2.5通频带内增益波动数据分析
题目要求输入信号在0.3MHz～100MHz范围内能够完全通过，在1MHz～80MHz频带内增益起伏≤1dB。
通频带内增益波动数据如表4-4所示。
表4-4通频带内增益数据表
输入信号频率/MHz
1
5
20
30
40
60
80
信号的电压增益变化量/dB
0.2
0.22
0.11
0.08
0.06
0.04
0.44
4.2.6测试结果分析
测试结果基本上都达到了题目要求的指标，电压增压最少达到60dB,放大器的输入阻抗和输出阻抗均为50Ω，输入信号的频率在0.3MHz～100MHz范围内，信号通过滤波电路不会产生衰减，在1MHz~80MHz范围内，频带内增益起伏≤1dB。
由于对于微弱信号的放大，外界系统的干扰比较大，对于焊接电路的要求非常高，所以，在焊接过程中，尽量保证焊锡平滑，较好的避免了各种外界高频信号的影响，最终使得测试结果基本符合理论要求。
参考文献
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