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1马昀灏正文0611
毕业论文（设计）
射频宽带放大电路设计
学生姓名：
马昀灏
指导教师：
李响讲师
专业名称：
电子信息工程
所在学院：
信息工程学院
2015年6月
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1课题背景1
1.2本课题在世界的目前水平及现状1
1.3本课题的主要内容及意义2
第二章射频宽带放大电路设计的总体方案3
2.1系统功能要求3
2.2方案比较与论证4
2.3理论分析与计算5
第三章射频宽带放大电路单元电路设计8
3.1稳压直流电源8
3.2固定增益的第一级放大电路设计9
3.3第二级放大电路设计11
3.4第三级电路设计12
3.5其他元器件的功能说明13
第四章射频宽带放大电路的仿真分析15
4.1应用软件15
4.2测试方案以及测试条件15
4.3测试结果及分析16
结束语19
致谢.....................................................................................................20
参考文献21
附录整机电路图22
摘要
本次设计采用宽带放大器OPA847、压控放大器VCA824以及电流型运放OPA695等集成芯片来作为本次设计的射频宽带放大器的核心。
设计放大器的前级电路希望能够实现10倍的固定增益放大，最后决定通过宽带放大器OPA847来完成，本次设计的中间级电路将以压控放大器VCA824作为核心，从而实现0.05~5倍的增益变化，本次设计的后级电路将使用电流型运放OPA695和继电器共同来实现5~25倍的增益变化，本次设计的末级电路，目的是进行10倍的衰减，将使用电阻网络来实现，从而可以达到设计预期的0dB~60dB的增益范围可调。
由于整个系统的输入信号幅度较小，而频率很高，所以为了提高系统整体的稳定性以及抗干扰能力，将引入屏蔽盒进行改善。
最后将整个设计进行仿真，结果达到了设计最初的所有要求和目的。
关键词：
射频功率放大，稳压直流电源，宽带放大器，压控放大器，电流型运放
Abstract
ThedesignoftheRFbroadbandamplifiercomposedbyavoltagecontrolledamplifierVCA824andCurrent-OpAmpOPA695.Thepre-designsystemiscomposedbythebroadbandamplifierOPA847toachievethe10timesthefixedgainamplification.ThemiddleofthedesigniscomposedbythevoltagecontrolledamplifierVCA824toachievethe0.05~5timesgainchange.Thesubsequentcircuitofthedesigniscomposedbythecurrent-opampOPA695andrelaystoachievethe5~25timesgainchange.Thefinalstageofthedesignusedtheresistornetworktoachievethe10timesattenuation.Thuswecanmeetthedesign’sexpectationsthatachieveitadjustableinthe0dB~60dBgainrange.Sincetheinputsignalwithsmallamplitudeandhighfrequency,thepaperwillsettheshieldcaseinthisdesignafterthesimulationtesttoimprovethestabilityandanti-jammingcapabilityofthewholesystem.Thewholesystemachievesalltheindicatorsofthedesiredandthepurposeofthedesign.
Keywords:
RFPowerAmplifier,RegulatedDCPowerSupply,BroadbandAmplifier,Current-OpAmp
第一章绪论
1.1课题背景
随着我国通信技术迅猛的前进，我们已经进入了全新的信息科技时代。
通信技术，射频技术更是有了翻天覆地的变化。
从手机，无线局域网，蓝牙等技术的诞生，到航天探测，射频技术已经走进当今社会生活的方方面面，逐步成为世界科技研发和进步中必不可少的一块。
科技发展所带来的庞大需求又使得射频技术需要进一步的研究和发展。
通信设备所需求的频率也越来越高，处理这些频率很高的电路，不仅需要特别的设备和技术，还更需要用到直流电路和低频电路中没有用到的理论知识。
而在当今世界发展中，放大信号这一项技术，可以说是存在于每一个的通信电子设计之中，射频功率放大器也是整个设计中功率消耗最大，同时也是产生非线性最严重的一部分。
所以，对于设计的系统功能的而言，射频功率放大器将起到重要的影响。
因为射频功率放大器在射频系统起到了举足轻重的作用，功率放大器的深入探索也顺势在射频放大领域中占据了一个不可忽视的研究地位。
1.2本课题在世界的目前水平及现状
随着时代和科技的进步，21世纪的今天我国电子信息技术无论是在科技研发还是生产制作方面都取得了很大的成就。
虽然我们一直在前进但与世界其他科技大国相比，我们的信息技术尤其是射频领域还是依旧有着很大空缺。
射频技术实质上可以简单说成是一种通过电磁波传播信号的无线电技术，而无线电技术的发现与应用可以回溯到18世纪末期，在此之后无线电技术开始逐渐走进人们的视线。
经历了近两个世纪的研究与探索，射频技术更是不断地被完善。
（1）在射频的硬件方面，在1952年诞生的结型场效应管（JFET）之后，硅双极晶体管正式开始应用于射频技术。
到了80年代90年代，我们更是研发出了许多新型的元器件，这些器件可以满足在工作的同时保持更低的噪声系数和更高的增益。
另外随着材料工业技术的发展，元器件的制造产业也获得了很大的提升空间。
尺寸更小更方便，精度更大，这些进步更使得射频技术在硬件方面得到了更好的应用和发展。
（2）在射频技术方面，非线性问题一直是我们研究的重点，科技的发展，使得新兴的DSP技术以及微处理控制技术诞生，也让我们可以将射频功率放大器应用到更广泛的领域之中。
功率合成技术的问世，更让我们可以获得更大的输出功率，宽带技术让我们对带宽几个，几百个GHz的信号进行放大。
（3）在电路设计方面，射频电路的微调一直是困惑人们很久的问题，随着半导体技术以及射频电路计算机技术的快速发展，现在我们有很多的电路仿真软件供我们使用，这也使得我们可以在更加短的时间内仿真试验出与实际几乎一样的结果，极大的提高了工作效率。
射频技术虽然在我国依然算的上是一个新兴的技术，但他的发展前景是不可估量的。
相信在不久的未来，射频技术可以在我国得到更好的发展，遍布到我们生活的各行各业之中。
1.3本课题的主要内容及意义
随着我们已经进入信息科技时代，通信信息产业也进行着飞速的发展，因此对于通信装置的发射，接收要求也就越来越高。
射频技术也越来越受到人们的关注，它小到可以应用于人民生活的各方各面，大到可以应用于国防事业，国民经济等。
射频技术在信息产业中得到了人们的热切关注。
深刻研究射频技术是信息产业发展中不可或缺的一部分。
射频技术在生活中较常见的应用那就是无线射频识别。
在我们设计射频功率放大器的时候，还需要主要对输出功率，激励电平，消耗，失真，效率以及外部形状等方面进行综合考虑。
在这之中，最重要的技术要求就是输出功率以及效率，这也是研究射频放大器的关键。
在器件方面，主要根据情况考虑合适的晶体管，比如击穿电压，最大集电极电流和最大管耗等因素。
总之，深入研究射频技术，不断探索研发射频放大器，是世界发展必不可少的一项内容。
第二章射频宽带放大电路设计的总体方案
经过查阅文献，我们发现射频理论与一般的电路之间，有着很多不一样的特性，可以简单的概括为以下几个部分：
1、使用大量的调谐网络：
大量的调谐网络可以使频率很轻易的调谐到适合的工作频率，与此同时调谐网络具备的晶体管特性可以更好的符合电路的输入阻抗以及输出阻抗。
总而言之，调谐网络的设计，是设计射频电路的性能的一个十分重要的步骤。
2、需要考虑阻抗匹配问题：
在整个设计的射频电路中，处理各种信号的各种不同部件，它们之间位置会有一定的范围。
这个相距的范围与被传输信号的波长范围一般相差不多。
所以预先考虑阻抗匹配，是把它们在这个范围内更好的安装在一起的必要条件。
3、每一种元器件在它们各种频段之间的应用也不一样：
我们都知道长波、中波及短波、超短波还有微波，它们构成了射频的频带宽。
中波、短波和米波，在这些频段所使用的元件和线路的设计结构以及它们的工作原理，是大致相同的。
但这些频段与微波波段相比，却有着本质上的不同。
中波、短波以及米波，它们一般由集中参数的元件所构成，比如我们在日常生活中常用到的电阻、电容以及电感线圈等元件；微波一般使用类似波导和同轴线这样的分布参数的元件。
在器件使用上，晶体管、集成电路以及电子管等这些器件一般被中波、短波以及米波所使用。
而微波即可以使用这些器件，也需要与其性能所匹配的，例如微波二极管、速调管、行波管、磁控管这一类特殊的器件。
射频功率放大器主要是将信号经过一系列的放大，再传送到天线上再辐射以及传播。
这一过程一般是需要经过调制振荡电路使之变为很微小的射频信号功率，然后再经过进一步多级的放大变成很大的射频功率。
射频功率放大器就是能够使信号获得足够大的输出功率的一种电子元件。
2.1系统功能要求
本次设计的射频宽带放大器的预期要求如下：
（1）电路所采用的结构为单端输入以及单端输出的方式，而且输入阻抗值要≥1KΩ。
同时，放大器的负载电阻为600Ω。
（2）3dB的通频带10KHz~6MHz，在20KHz~5MHz的频带内增益起伏≤1dB。
（3）整个放大器所设计的最大增益需要≥60dB，放大器的增益要在10dB~60dB的调节范围之间。
（4）最大输出电压的有效值在整个射频宽带放大器系统中要≥3V[1]。
本次设计为了实现60dB的增益可调，整体的电路设计将使用多级放大的形式。
电路第一部分的固定增益设计将以OPA847为核心进行设计，OPA847是一种宽带高压摆率运放。
通过它，可以最终达到10倍的增益。
电路的第二级设计是为了实现0.05~5倍的增益可调。
经过反复查阅文献，压控放大器VCA824具有以下的特性：
带宽大小为350MHz，增益的范围在0~40dB范围可调，这些参数与设计预期所设计的全部相符。
为了达到设计最终0~60dB的范围可调，整个电路设计的第三级将采用继电器来进行转换。
本次设计以经济实用的技术和高性能低噪声的器件组合为出发点，以达到预期要求，设计更加实用的宽带放大器为最终的核心，这样的设计即节约了经费也对社会的科技发展有很大的益处。
同时本次设计也有很大的应用范围，具有一定的广泛性，射频技术早已在人们生活中的各行各业中起到了举足轻重的地位和影响，本次设计也将具有很高的实际应用功能。
2.2方案比较与论证
2.2.1≥60dB的增益设计
为了达到设计目的，经过反复的文献查阅以及方法对比，最终形成两套设计方案来实现最终的设计目的。
设计方案一：
把宽带集成运放应用于增益设计。
总所周知，高的开环增益以及输入阻抗，和低输出阻抗，这些一直是集成运放所具有的特殊的性能，所以在放大器电路中假使应用集成运放将会是整个电路拥有更优良的线性。
所以我们所选择的宽带集成运放只有具有很高的带宽值和很大的压摆率，才可以更有效地实现60dB的增益放大。
但是，因为集成运放很高的开环增益还有反馈机制所带来的影响，会使得整个设计在频率响应方面会稍显逊色。
设计方案二：
应用三极管所具备的功能来实现设计。
在如今三极管的种类繁多，应用领域广泛，对于射频宽带放大器的设计可以将开环增益低的三极管引入其中，这种三极管可以进行级内的反馈，从而摆脱了大环反馈的影响，使得整个设计更易处理而且由三极管所构成的放大电路在频率响应方面，会显得更有优势。
在设计方案一中虽然采用集成运放的方式会使得整个电路的频率响应降低，但在稳定性方面，集成运放却显示出了很大的优势，也因此增益更易于人为进行控制。
而方案二采用的开环增益低的三极管进行放大，虽然在频率响应方面很突出，但应用三极管会产生元器件的分立，整个电路由于器件分立也会使得高频小信号进行传输时会产生严重的噪声，也因此使得整体系统变得不稳定。
所以综合多方面的考虑，本次设计将使用设计方案一的思路来实现
的放大增益的设计。
2.2.2放大增益可调的设计
为了达到本部分的设计目的，经过上网查询，文献查阅以及方法对比，形成两套设计方案来实现本部分的设计目的。
设计方案一：
采用固定增益以及电阻网络衰减的方式。
为了实现0~60dB范围内的增益可调。
首先为了达到固定增益的放大可以通过第一部分的放大电路来完成，后级的电路可以使用电阻网络来进行衰减，比如可以使用电位器，这一类元器件。
设计方案二：
设计将使用压控放大器的方法。
压控放大器（VCA）可由外部电压进行增益的控制，从而达到放大增益在一定范围内可调。
方案一采用固定增益，电阻网络衰减的方式，这个方案所设计的电路虽然整体的结构单一，相对而言很容易实现。
但是，由于整个设计的输入信号的频率一般在1M~100MHz的范围内[2]。
而且，在高频信号的影响下，电阻的性能容易产生变化，这会使得电阻会产生一些电感以及电容的特性，这些改变会对信号将产生一定的影响。
而在设计方案二中我们通过压控放大器（VCA）来达到增益可调的目的，但因为运放带宽和增益的限制，使得调节范围会受到局限。
通过仔细的考虑及讨论，本部分的设计决定使用方案一和方案二共同融合的形式来实现，固定增益以及电阻网络衰减，这一部分在整体设计的前级电路中实现，后级由压控放大器（VCA）控制，从而达到设计的预期要求，实现放大增益的可调。
2.2.3系统框图
本次设计可以简单的分为以下几个模块组成：
首先由宽带放大器OPA847进行单级的放大，从而实现10倍的放大倍数。
然后再通过压控放大器VCA824来组建整个射频宽带放大器的中间级的设计，从而可以达到预期0.05~5倍的增益控制。
整个设计的后级电路则是采用电流型运放OPA695来达到5倍的固定增益。
最后，末级电路则采用继电器切换进行5倍增益放大，以及10倍电阻网络衰减，从而完成达到最终的实验目的。
详细的系统框图如图2.1所示。
图2.1射频宽带放大器的整体系统框图
2.3理论分析与计算
2.3.1宽带放大器指标
放大器是组成各种电子系统，电子电路设计的一个十分重要的单元，放大器的应用在现代生活中是十分广泛的，而且随着时代的发展对新的技术以及器件的发展制作都有着十分严苛的要求。
随着电子信息业的技术发展，宽带、高性能、高增益、高输出电压、高效率、更宽的动态波动范围、低的噪声能耗等等，这些要求都已经成为了如今的设计宽带放大器的一个导向趋势。
通过之前的方案的选择与论证，本次射频宽带放大器的设计将采用以集成运放为核心来实现。
设计中还需要考虑的就是增益带宽积，增益带宽积顾名思义就是有源器件或者电路的增益与相规定带宽的乘积，增益带宽积液是衡量放大器性能好坏的一个重要的指标。
本次设计的预期指标要求的电压增益值要
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，同时还要满足100MHz的输入信号频率，那么为了达到这些指标要求如果使用单级放大的方式，那么要求的运放增益带宽积可计算为：
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（1）
目前整个运放，还并不能够达到单级放大为60dB的要求。
所以，本次设计的射频宽带放大器将以多级放大的设计思路来达到最终的设计目标，60dB的增益可调。
本次设计的第一级电路将使用固定增益，经过文献翻阅以及网上搜索，发现宽带高压摆率运放OPA847可以符合设计的要求，所以决定使用它来实现10倍的增益。
整体电路的第二级设计，则要以压控放大器VCA824为核心，从而达到0.05~5倍的增益可调。
压控放大器VCA824具有350MHz的带宽值以及0~40dB的增益范围，并在此范围内可调，也因此采用此芯片设计，可以完全的实现预期的设计要求参数。
第三级电路将采用继电器来进行切换，达到最终0~60dB范围的增益可调。
2.3.2频带内增益起伏控制
本次设计的整体电路第一级希望能够实现固定增益放大，并由放大器OPA847构成，通过查阅OPA847Datasheet所提供的资料，当它的增益为G=12时，其带宽可达到600MHz，因此这个指标，完全可满足设计预期的“1MHz~80MHz范围波动
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”的要求。
第二级电路将以压控放大器VCA824为核心[3]。
虽然在一些特定的频带内，电路的输出信号会产生一些的失真。
但经过查阅，由VCA824Datasheet提供的资料，在压控电阻控制端得到频率补偿的同时，便可同步的扩展信号的频带，也因此，输出信号的增益变得更加稳定，从而实现预期的“波动
”的指标。
第三级电路的设计则以通频带更为平缓，带宽大小为1.7GHz的运放OPA695为核心。
它的参数完全符合设计的要求。
2.3.3射频放大器稳定性能分析
射频放大器的稳定性在整个射频宽带放大器中也同样是一个不可忽视的指标，一个系统稳定性是保证电路可以正确并且安全运行的一个不可或缺条件。
在实际的生产和应用中，电路设计中常常会出现信号源的阻抗，负载阻抗以及射频放大器网络不匹配等一系列问题[4]。
也因此使得电路很容易出现了反射，而且在一些特殊的频率下，更可能出现正反馈，也因此会使得射频放大器出现了自激，也因此使实验设备的受到了损坏，经济损失。
但是，一旦我们可以提前的预知射频功率放大器的稳定工作环境条件，那么我们就可以轻而易举的避免这些不必要的设备和经济的损失，所以能够保证射频放大器的稳定性，也同样是设计整个放大器的一个前提条件。
由于整个放大器的输入信号频率值在1M~100MHz的范围内，而且要求信号的有效值要小于1mV，射频放大器在运行中有很大的可能性会引入噪声，而且整个电路的不稳定性可能会导致产生自激。
因此，第一级固定增益放大电路在整个射频宽带放大器设计中，一定要保证前级的设计采用较低的增益，从而达到减小噪声，避免噪声对系统后面电路的影响，以至于可以保证系统的整体稳定性。
同时，为了避免因为外界的电磁产生的干扰，本次实验中也将引入屏蔽盒，使它能够对整个电路进行抗干扰的处理。
从而，再一次的提高和保证电路的稳定性。
2.3.4增益调整
本次设计的电路增益调整部分是依靠压控放大器VAC824为核心来完成的。
将压控放大器VCA824的最大增益调整为5倍，然后我们再使用调节放大器的压控端电压
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来进行增益的调节。
增益的表达式为：
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（2）
那么，控制
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使之可以在-1~1V的范围内变化。
最后，我们便可使增益在0.05~5倍调节变化。
2.3.5放大器带宽指标
放大器的带宽是放大器允许通过的信号的最高频率，在模拟电路信号系统中，带宽用来标识和传输信号所占有的频率宽度，频率的带宽值，实际上是传输信号的最大频率以及最小频率它们之间的差值[5]。
一般来说，放大器随着信号频率的上升，它的输出的幅值便也会出现下降，幅值与频率的关系曲线我们称之为幅频特性曲线。
本次实验的预期目标，整个放大器的带宽下限频率值为
错误!
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，上限频率值为
错误!
未找到引用源。
。
而设计中所采用的放大器的芯片的带宽值，都超过了
。
与此同时，通过RC频率的补偿，压控放大器频带也可以达到上限频率值的参数要求。
第三章射频宽带放大电路单元电路设计
我们都知道通过小信号放大器放大后，接收机中的弱信号也可以让我们听到，而且发射机的信号放大器也可以将信号输入到天线传播至接收机，从而我们可以获得更大的传播信号。
以上的种种都表明了放大器是做一切无线电实验的核心和重点。
射频放大器可以简单的分为以下几个模块结构：
第一级固定增益电路，第二级的压控放大电路，第三级放大电路。
每个部分电路起到的作用也大不相同。
整体放大器设计第一级的固定增益电路能够最终达到放大10倍。
以压控放大器VCA824为整体设计的第二级，从而达到0.05~5倍的增益控制，而整体设计的第三级电路则是以电流型运放OPA695为核心，达到5倍的固定增益。
最后，整个系统的最后一部分，设计目标是实现5倍的增益放大，以及10倍的电阻网络衰减。
经过查阅决定采用继电器进行切换的方式。
从而最终完成整体的射频宽带放大器的设计。
3.1稳压直流电源
在本设计中所设计的射频宽带放大器，使用到了很多的运算放大器的集成芯片，这些运算放大器的运行都需要一个稳压的直流电压来进行驱动，设计中用到了
5V的驱动电压，在经过筛选和排查之后，最终考虑到LM317稳压芯片能够在实现在输出1.2V~27V的电压范围内进行可调，因此在本设计中决定采用LM317稳压芯片来设计并构成稳压直流电压源。
一般，电源变压器，整流滤波电路以及稳压电路，它们之间的互相组合可以构造成一个可以调节的直流稳压电源[6]。
通过变压器，可以把电压转变为所套球的低压交流电。
桥式整流器的作用，是达到把交流电通过整流转化为直流电的目的。
最后通过滤波环节，稳压器可以把不稳定的直流电压转换为稳定的直流电压并进行输出[7]。
具体的稳压直流电源设计，如图3.1所示。
图3.1稳压直流电源电路原理图
一．LM317稳压芯片：
LM317服务与各种各样的应用平台，包括局部稳压、卡上稳压等等。
LM317也可以被测设计成能够进行编程控制的输出稳压器，同时，LM317还能够当作一种精度很高的稳流器。
只需将一个固定电阻放置在调整点和输出之间，就可以达到目的。
通过在LM317稳压器运行时，LM317产生并且可以很好地维持输出与调节端之间的电压，资料显示LM317是一种浮动的稳压器，电路两端的电压差对设计整体的性能，有这不可忽视的影响意义。
在负载调整率方面，LM317可以提供一个极好的条件，但为实现最优性能还需要注意以下几点。
编程电阻要尽可能的放置在与稳压器靠近的地方。
以此，使得与参考电压有效串联的线路压降可以达到最低，从而不会使调整率出现下降。
同时，还要注意的是，当外部电容被使用在任何的集成电路稳压器之中，一些特殊情况中一定要加保护二极管以此来防止电容在低电流点向稳压器进行放电。
二．LM317稳压器的性能指标：
（1）它的输出电流可以超过1.5A。
（2）输出电压一般可以在1.2V~37V之间进行可调。
（3）本身内部具有热过载保护功能。
（4）LM317有很好的稳定性，它不因为温度变化所导致的内部短路而产生电流的限制。
（5）输出晶体管可以在安全工作区进行补偿。
（6）当使用在高压应用时，可以进行浮空工作。
（7）避免置备多种固定电压。
三．LM317的引脚作用：
引脚1：
调节；
引脚2：
输出电压；
引脚3：
输入电压。
3.2固定增益的第一级放大电路设计
放大器是组成各种电子系统，电子电路设计的重要的单元，放大器的应用十
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