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`の各项指标.低噪声放大电路用于放大输入`の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`の高通滤波电路和截止频率不小于100MHz`の低通滤波电路，保证输入信号`の带宽至少在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`の放大倍数.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`の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`の放大倍数，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`の电压有效值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`の带宽在0.3MHz～100MHz，滤波电路是整体电路中不可缺少`の一部分.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`の放大倍数（dB）与控制电压呈线性变化这一特性，在外部设定不同`の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`の频带范围内改变输入信号`の频率，设计出在不同频率下，电压增益不小于60dB`の放大电路，在放大电路`の基础上继续扩展功能.

方案一：

对输入`の小信号先滤波后进行放大，在后级`の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`の放大.

经论证，为了使得整体电路`の误差降到最小，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`の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`の设计，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`の基础，在设计比较简单`の放大电路是可以考虑此方案`の.

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`の主控芯片用来放大输入端口`の极微弱信号，THS4021芯片`の最大带宽可达到350MHz，完全可以满足题目100MHz`の带宽要求，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`の误差.

经论证，为便于后级电路`の测试，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`の频率至少在0.3MHz～100MHz范围内，即放大电路`の带宽下限截止频率fl≤0.3MHz，上限截止频率fh≥100MHz，需要设计截止频率为300KHz`の高通滤波电路和截止频率为100MHz`の低通滤波电路.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`の带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不好，在高频、高压、大功率`の场合不适用.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`の优点在于不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是通带内`の信号有能量损耗，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`の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`の电路设计，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`の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`の增益可调带宽不小于题目限定`の带宽.

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`の变化，但是该芯片`の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`の带宽在0.3～100MHz内，因此以VCA810为主控芯片`の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`の确定

射频宽带放大器要求`の电压增益AV≥60dB，首先设计低噪声放大电路实现20dB`の放大，低噪声运算放大电路`の基本原理是模拟电子技术中`の同相比例运算电路，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`のR14为反馈电阻，根据理想运放`の“虚短”和“虚断”，该电路`の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`のR16对运算结果没有影响，只是为了提高集成运放输入级`の对称性，以便消除集成运放`の偏置电流及其漂移`の影响.

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`の带宽在0.3～100MHz内，设计了RC高通滤波电路.RC高通滤波电路`の截止频率fh=1/（2πRC）（R为电阻值，C为电容值），根据不同`の截止频率，设定不同`の电阻值和电容量，通过滤波电路限制输入信号`の带宽.

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`の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`の电压值后，通过示波器测量VCA821`の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`の20dB放大电路结合可以实现0～60dB`の变化，达到增益可调`の性能.

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`の端口分别并联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`の稳定性问题非常重要，是保证电路安全稳定运行`の必要条件，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`の情况，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`の是巴特沃斯滤波器,巴特沃斯滤波器`の特点是通频带内`の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`の衰减.经过仿真软件`の设计，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`の稳定性.

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`の低噪声放大电路.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`の电压增益G=20lg（AV1）=20dB，简单`の放大电路将输入信号放大十倍.设计好`の电路经过Multisim11.0电路仿真后，仿真`の结果完全达到要求，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`の频率在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`の带宽，在Multisim11.0仿真软件中仿真出来`の波形如图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`の功能特性，设计出来`の电路如图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`の放大倍数达到60dB，在后级增加增益为20dB`の放大电路，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`の带负载能力降低，需在放大电路后加一级由运算放大器OPA691构成`の功率放大电路，用以提高电路`の带负载能力，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`の布局，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`の效果.

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`の电压值，然后根据压控增益放大芯片VCA821`の特性来实现在不同`の输入电压值下对应电路不同`の增益.

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`の稳压电源；

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`の电压值放大到设定好`の值,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`の外部阻抗，因此实际测量`の输入会比理