射頻寬帶放大器的設(shè)計(jì)方案.doc

射頻寬帶放大器設(shè)計(jì)報(bào)告 摘要：本系統(tǒng)以AD公司生產(chǎn)的高速可控增益運(yùn)放AD8330為核心,結(jié)合固定增益放大、可變?cè)鲆娣糯?、末?jí)差分電路等主要部分，能實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)050dB增益可調(diào)。前級(jí)放大采用一片AD8330實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆娣糯螅潭ㄔ鲆娣糯蟛捎肙PA847芯片實(shí)現(xiàn)10倍的固定增益放大,再經(jīng)末級(jí)1片電流反饋型運(yùn)放THS3001擴(kuò)流,構(gòu)建末級(jí)差分驅(qū)動(dòng)負(fù)載。關(guān)鍵詞：寬帶放大器 高速運(yùn)放 OPA847 AD8330一、方案論證與選擇1、方案選擇與比較1.1 固定增益放大器比較方案一：采用OPA820運(yùn)放芯片作為固定增益放大，該芯片是一種高速運(yùn)算放大器，在6 Hz 20 MHz 的通頻帶中可實(shí)現(xiàn)放大增益為43 dB, 具有帶內(nèi)波動(dòng)小, 輸出噪聲低的特點(diǎn)。但是缺點(diǎn)是通頻帶不夠?qū)?。方案二：采用OPA695電壓反饋型高速運(yùn)算放大器,在1400MHz頻率下能實(shí)現(xiàn)兩倍放大，符合本題要求,但在高頻下,該運(yùn)放易產(chǎn)生自激。方案三：采用OPA847, 電壓反饋型高速運(yùn)算放大器，最大頻帶寬度達(dá)3.9GHz，完全滿足本題頻帶要求，輸入電壓噪聲低，帶內(nèi)波動(dòng)小，自激現(xiàn)象少。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用方案三。1.1.2 可變?cè)鲆娣糯笃鞅容^方案一：采用可編程程控放大器AD603。該運(yùn)放增益在-11+30dB范圍內(nèi)可調(diào)，通過改變管腳間的連接電阻值可調(diào)節(jié)增益范圍，易于控制。但該運(yùn)放增益可調(diào)帶寬為90MHz，不滿足題目要求。方案二：采用高增益精度的壓控VGA芯片AD8330。該芯片可控增益帶寬可達(dá)150MHz，增益可調(diào)范圍070dB,符合本題指標(biāo)要求.因此，該電路采用方案二。1.1.3 電壓增益可調(diào)方案比較方案一：基于單片機(jī)做步進(jìn)微調(diào)。由單片機(jī)MSP430G2553及12位DA轉(zhuǎn)換芯片TLV5616對(duì)AD8330進(jìn)行程控，實(shí)現(xiàn)增益在可取范圍內(nèi)可調(diào)。但是，此設(shè)計(jì)只能步進(jìn)調(diào)節(jié)，不能連續(xù)可調(diào)，此方案不可取。方案二：基于精密電位器做連續(xù)可調(diào)。用一個(gè)精密電位器對(duì)+5V分壓后輸入AD8330 5腳VDBS,從而對(duì)電壓增益實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。電路簡(jiǎn)單，節(jié)省成本。經(jīng)比較，本設(shè)計(jì)選擇方案二。2、方案描述總體框圖如圖1所示。信號(hào)源可變?cè)鲆媲凹?jí)放大固定增益后級(jí)放大差分電路負(fù)載直流穩(wěn)壓電源圖1 系統(tǒng)總體框圖示意圖本系統(tǒng)通過將用雙電源供電。前置放大電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行可調(diào)放大，放大020Db,再經(jīng)THS3001的差分電路及緩沖器BUF634，提高系統(tǒng)帶負(fù)載能力。二、 理論分析與計(jì)算1.增益帶寬積分析增益帶寬積(GBP)為電壓增益G與通頻帶BW的乘積，即GBP=GBW。（1）電壓反饋型運(yùn)放：由放大電路頻率特性分析可知，無反饋和電壓反饋(反饋系數(shù)為F)時(shí)電壓放大倍數(shù)： ，(1)式中Avm為通帶內(nèi)電壓增益，fh為無反饋時(shí)運(yùn)放截止頻率。比較兩式可知，存在電壓反饋時(shí)，運(yùn)放通帶增益，通頻帶分別為： ，(2) 圖3 電流反饋型運(yùn)放模型由(2)式可見，引入電壓負(fù)反饋后，增益帶寬積仍為一常數(shù)。在電壓反饋型運(yùn)放的使用中，要充分權(quán)衡電壓增益與通頻帶的關(guān)系。系統(tǒng)用的TI公司提供芯片OPA847增益帶寬積為3900MHz，在系統(tǒng)中該運(yùn)放最高增益為8，則可計(jì)算得。（2）電流反饋型運(yùn)放：電流反饋型運(yùn)放模型如圖3所示。根據(jù)反饋理論可得以下公式：(3)且R0R1, R0R2，則通頻帶寬度：。 上式表明電路通頻帶僅由反饋電阻和內(nèi)部電路確定，與電路增益無關(guān)。因而電流反饋型運(yùn)放沒有增益帶寬積的限制。據(jù)此，系統(tǒng)將電流反饋型運(yùn)放THS3001用于后級(jí)跟隨用，帶寬為420MHz，完全滿足題目帶寬要求。由上述分析可知，系統(tǒng)增益放大電路在10MHz以內(nèi)頻帶幾乎無衰減。2.有效值計(jì)算與分析系統(tǒng)輸出信號(hào)經(jīng)峰值檢波電路進(jìn)行精密整流并積分后得到信號(hào)的峰值，信號(hào)輸出是雙極性正弦波，因此利用峰值和有效值之間的換算關(guān)系可計(jì)算出有效值： (4)為輸電壓峰值，為輸出電壓有效值。三、電路與程序設(shè)計(jì)1、可調(diào)增益放大器電路可控增益放大電路由高精度可控增益運(yùn)放AD8330構(gòu)成，該運(yùn)放設(shè)計(jì)電路如圖所示：圖2 可調(diào)增益放大電路1.CMGN管腳接地時(shí) VDBS輸入電壓是01.5v，CMGN管腳接一個(gè)0.1電容到地，可以把vdbs的電壓提高到200mv1.7v(同時(shí)也將CMGN需要的電壓提高)，也可以通過外接電壓0500mv; 2.MODE懸空或者接high,增益與電壓成正比 反之則反 3.VMAG 默認(rèn)電壓為500mv,由內(nèi)部產(chǎn)生，可以外接電壓來改變輸出幅度，使增益擴(kuò)大VMAG/0.5倍，但是幅度最高為+-4*vmag, 輸出電壓值為 gin*vin*vmag*2 4.dffset,信號(hào)通道中的高通濾波器,corner fre接在地上的話,可以允許直流信號(hào)通過,可以通過使用電阻和電容的串聯(lián)來避免電容過小。在需要直流信號(hào)的時(shí)候，offset接地 5.差分信號(hào)每個(gè)管腳的輸入極限是電壓的一半（VDBS為0），在VDBS增大的時(shí)候，輸出峰值的極限被VMAG限制, VMAG大于2v以后會(huì)受電源電壓限制。共模電壓輸出最大為電源電壓的一半，輸入的共模電壓按0.757Vcnrt + 1.12傳輸 6.輸出端的共模電壓可以達(dá)到電源電壓的一半，也可以通過CNTR管腳來控制共模電壓，這個(gè)電壓可以在0vss 7.輸入差模阻抗為1k，輸出差模阻抗150 ，輸入阻抗的不匹配會(huì)造成噪聲增加，輸出阻抗的不匹配會(huì)造成增益減小RL/(PRL+150) ，通過串聯(lián)電阻來完成阻抗的匹配 8.增益控制 VDBS（01.5）CMGN不接 050db 輸出信號(hào)幅度；CMGN=16mv -30db20db；CMGN=5v，20db70db2、差分電路用電流反饋型運(yùn)算放大器THS3001做一個(gè)差分電路，由于前級(jí)輸出共模信號(hào)對(duì)后級(jí)有影響，則用差分輸入以消除共模信號(hào)，從而有足夠大的輸出幅度。另外，由于前級(jí)可控增益部分是雙端輸入、雙端輸出，如果采用單端輸出則增益衰減一倍，因此，采用差分電路作為可控增益輸出。圖3 差分放大電路3、緩沖器變輸出阻抗 高速緩沖器BUF643做一個(gè)50的輸出阻抗，應(yīng)題目要求輸入與輸出阻抗都是等于50，輸出級(jí)阻抗匹配,作為負(fù)載電路的前級(jí)。圖4輸出電路五、 測(cè)量?jī)x器1、使用儀器及型號(hào)DF1701S直流穩(wěn)壓電源DS1062E-EDU 60M數(shù)字存儲(chǔ)示波器DS1062E-EDU 100M數(shù)字存儲(chǔ)示波器 1012 60M數(shù)字信號(hào)源 HYelec四位半數(shù)字萬(wàn)用表Hp8713B射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀2、測(cè)試方案與數(shù)據(jù)（1）放大器帶寬及通帶內(nèi)起伏測(cè)試測(cè)試方案：輸入正弦波信號(hào)均方根值為10mV，對(duì)輸入信號(hào)頻率進(jìn)行掃描，依次測(cè)輸出信號(hào)均方根值，運(yùn)用60MHz雙蹤示波器和射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)：按表1測(cè)試并記錄數(shù)據(jù)。 表1 放大器帶寬及通帶內(nèi)起伏測(cè)試f /MHz1358121520231630輸入 /mVrms10101010101010101010輸出 /mVrms1051061041021019897969494放大倍數(shù)10.5 10.610.4 10.2 10.19.89.7 9.6 9.49.4增益 /dB20.420.3 20.120.220.0 19.819.7