射頻寬帶放大器報(bào)告終版

1、射頻寬帶放大器摘要本系統(tǒng)采用OPA847，電流型運(yùn)算放大器THS3091和壓控放大器VCA824組成。系統(tǒng)分為四級(jí)：前級(jí)通過OPA847實(shí)現(xiàn)固定增益放大，并且進(jìn)行阻抗匹配和噪聲抑制；中間第二、三級(jí)由壓控放大器VCA824實(shí)現(xiàn)0.055V/V增益變化同時(shí)加大帶寬，后級(jí)由電流型運(yùn)算放大器THS3091進(jìn)行功率放大。放大器中的電源控制電路，通過利用MC1403和LM324芯片和電壓跟隨電路產(chǎn)生-1到1V的連續(xù)電壓，能夠穩(wěn)定供給VCA824的vg端，從而達(dá)到0到60dB增益可調(diào)。經(jīng)測試，系統(tǒng)達(dá)到了題目所設(shè)定的基本要求和部分?jǐn)U展要求。關(guān)鍵詞：射頻放大器，寬帶，OPA847， VCA824，THS3091

2、，MC1403，LM324目錄一、方案論證31.60dB增益設(shè)計(jì)32.放大增益可調(diào)設(shè)計(jì)33.后級(jí)電壓放大模塊的選擇3二、電路設(shè)計(jì)41.前級(jí)放大電路：42.中間級(jí)放大電路：43.后級(jí)放大電路54.壓控電路6三、理論分析與計(jì)算71.增益分配計(jì)算72.帶寬計(jì)算73.頻帶內(nèi)增益起伏控制74.射頻放大器穩(wěn)定性分析8四、系統(tǒng)測試91.測試儀器92.測試方案及測試條件93.測試結(jié)果與分析9五、作品成效總結(jié)分析10六、參考資料10七、附錄1112一、方案論證1.60dB增益設(shè)計(jì)寬帶運(yùn)放實(shí)現(xiàn)，采用高帶寬，大壓擺的寬帶運(yùn)放實(shí)現(xiàn)60dB放大。由于運(yùn)放具備高開環(huán)增益、高輸入阻抗和低輸出阻抗，所以由運(yùn)放夠成的放大器電路

3、具備較好的線性，但由于運(yùn)放的高開環(huán)增益以及反饋機(jī)制的存在，運(yùn)放電路頻率響應(yīng)一般比較差。采用OPA847作為第一級(jí)放大，具有超低輸入電壓電流噪聲，超高增益積帶寬。在放大十倍的情況下，OPA847具有3.9GHz的增益帶寬積。2.放大增益可調(diào)設(shè)計(jì)方案一：固定增益與電阻網(wǎng)絡(luò)衰減。通過前級(jí)放大電路進(jìn)行固定增益放大，后級(jí)由電阻網(wǎng)絡(luò)衰減，如電位器，實(shí)現(xiàn)060dB范圍內(nèi)增益可調(diào)。方案二：采用壓控放大器。采用壓控放大器（VCA），其增益可由外部電壓控制，實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)增益可調(diào)。采用VCA824，放大兩倍小信號(hào)時(shí)帶寬達(dá)到710MHz，壓控電壓范圍為-5V+5V，最大增益可調(diào)為20dB對(duì)于方案一，電路簡單，易于實(shí)

4、現(xiàn)。到那時(shí)由于輸入信號(hào)較大，在高頻電路中，電阻易產(chǎn)生熱噪聲，同時(shí)具有電容和電感特性，對(duì)信號(hào)造成干擾。綜合考慮故采用方案二，采用VCA824且采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)的方式，在增大可調(diào)范圍的同時(shí)，保證中間級(jí)有足夠的帶寬。3.后級(jí)電壓放大模塊的選擇利用電流反饋放大器（THS3091）作為后級(jí)功放帶動(dòng)50的負(fù)載，THS3091為電流反饋放大器，沒有嚴(yán)格的增益帶寬積，適合高頻設(shè)計(jì)，且具有優(yōu)點(diǎn)為輸出電流大。系統(tǒng)框圖如下：二、電路設(shè)計(jì)1.前級(jí)放大電路： 第一級(jí)選擇的放大芯片為OPA847,設(shè)計(jì)將其配置成10倍的放大倍數(shù)，用5V電源供電，能夠很好的實(shí)現(xiàn)降噪并拓展帶寬的要求。電路圖可以在TINA或者M(jìn)ultisim中仿真

5、。2.中間級(jí)放大電路：中間級(jí)采用兩級(jí)串聯(lián)的VCA824,它在放大20dB的時(shí)候帶寬仍可達(dá)到320Hz，滿足要求，有多種配置方式，在不同的配置方式隨著最大增益的提高會(huì)有所下降，綜合考慮題目要求，將其配置為最大增益為20dB的模式，并采用兩級(jí)串聯(lián)，可以有更大的可控范圍，從而滿足題目要求：在060dB可調(diào)。由于高增益，直流零點(diǎn)溫漂必須被考慮在內(nèi)，故在兩級(jí)之間加入抑制零點(diǎn)漂移電路，以使信號(hào)放大不失真。3.后級(jí)放大電路 后級(jí)采用THS3091，是電流反饋放大電路，優(yōu)點(diǎn)在于電路帶寬受增益影響較小，可以放大的同時(shí)滿足帶寬要求，帶寬主要受反饋電阻的影響，根據(jù)THS3091芯片手冊(cè)上的電路對(duì)其外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，

6、考慮到系統(tǒng)噪聲和供電，采用5V對(duì)其供電。由于前三級(jí)放大倍數(shù)基本達(dá)到預(yù)定要求且為了使帶寬達(dá)到要求，所以該級(jí)設(shè)定較小的電壓增益倍數(shù)僅為1.1倍。發(fā)現(xiàn)帶寬平坦度較好，能滿足題目的帶負(fù)載能力。4.壓控電路 采用LM324和MC1403,組成壓控部分。LM324系列器件帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器，具有真正的差分輸入。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。三、理論分析與計(jì)算1.增益分配計(jì)算電壓反饋型運(yùn)算放大器的

7、增益和帶寬之間存在一定的關(guān)系，增益越高，帶寬越窄，增益帶寬積：BWAv=C（常數(shù)）所以在設(shè)計(jì)放大器的時(shí)候，應(yīng)該在增益和帶寬之間折衷選擇。按照題目發(fā)揮部分的要求，信號(hào)通頻帶為0.3100MHz，最大電壓增益Av>60dB，最小增益帶寬積為：100M×1000=100GHz.同時(shí)題目要求電壓增益60dB，因此本系統(tǒng)采用多級(jí)壓控放大實(shí)現(xiàn)60dB增益可調(diào)?？紤]到第二級(jí)輸入大于200mV時(shí)易失真，因此第一級(jí)輸出信號(hào)不易過大，故前級(jí)采用固定增益，由寬帶高壓擺率運(yùn)放OPA847實(shí)現(xiàn)10倍增益（20dB）。中間級(jí)通過壓控放大器VCA824實(shí)現(xiàn)0.055V/V增益可調(diào)。VCA824帶寬350MH

8、z，增益范圍030dB可調(diào)，采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)，可以有更大的可控范圍，增益可調(diào)范圍已達(dá)到060dB的要求。2.帶寬計(jì)算 B1=460MHz B2=320MHz B3=195MHz系統(tǒng)通頻帶由三級(jí)放大電路共同決定。滿足0.3100MHz的通頻帶要求。3.頻帶內(nèi)增益起伏控制經(jīng)過上面的合理分配各級(jí)增益，使得各級(jí)帶寬滿足要求，四級(jí)級(jí)聯(lián)后，180MHz內(nèi)增益起伏小于1dB。為了盡可能排除其他因素影響增益起伏，選用OPA847作為第一級(jí)放大，根據(jù)OPA847 Datasheet提供，其增益為G=12時(shí)，帶寬高達(dá)600MHz。中間級(jí)的VCA824在一定頻帶內(nèi)輸出信號(hào)會(huì)有波動(dòng)，根據(jù)VCA824Datasheet提供

9、，在壓控電阻端控制進(jìn)行頻率補(bǔ)償，可擴(kuò)展信號(hào)頻帶，使輸出信號(hào)增益穩(wěn)定。調(diào)節(jié)直流偏置，最終達(dá)到180MHz內(nèi)增益起伏為0.9dB左右。4.射頻放大器穩(wěn)定性分析由于系統(tǒng)輸入信號(hào)頻率為0.3100MHz，信號(hào)有效值小于1mV，放大器在工作過程中容易引入噪聲。因此，本次設(shè)計(jì)前級(jí)固定增益放大電路，第一季增益較低（10倍），減小噪聲對(duì)后級(jí)的影響，提高穩(wěn)定性。同時(shí)，為提高高頻下的電路性能穩(wěn)定性，降低噪聲影響，電路中所有芯片的電源接口采用10F與0.1F電容濾波。另外，電路全部使用貼片式封裝的芯片、電容、電阻，并在電路板設(shè)計(jì)中將電源層、地層與信號(hào)層分開，而且十分注意線路的走向、交互等細(xì)節(jié)，盡可能地使電路有更好的

10、高頻下工作性能。四、系統(tǒng)測試1.測試儀器1) 數(shù)字示波器2) DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器3) 數(shù)字萬用電表2.測試方案及測試條件1) 電路仿真與級(jí)聯(lián)調(diào)試 運(yùn)用仿真軟件先對(duì)每一級(jí)電路進(jìn)行仿真，調(diào)整參數(shù)，達(dá)到要求后焊接電路，進(jìn)行單級(jí)測量，包括是否達(dá)到預(yù)定增益指標(biāo)，增益起伏是否滿足要求等。 成功后，將四級(jí)級(jí)聯(lián)，整體測試，初步得出結(jié)果，再將電路進(jìn)行固定，調(diào)整布局，進(jìn)行指標(biāo)測量及電路參數(shù)修改，最后進(jìn)行裝箱測試。2) 測試條件 檢查多次，仿真電路與硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。3.測試結(jié)果與分析 將各級(jí)電路級(jí)聯(lián)起來,模擬電壓輸出至 VCA824，手動(dòng)調(diào)節(jié)增益。測試最大放大倍

11、數(shù)、帶寬、噪聲，測試相關(guān)參數(shù)。 1寬平坦度、截止頻率測試:當(dāng)供電電壓為±5V時(shí),輸入有效值Ui=1 mV，使得增益為 55dB 時(shí),測量出輸入信號(hào)頻率與增益之間的關(guān)系。結(jié)果0-80MHz內(nèi)，電路的頻率特性曲線在接近80MHz時(shí)略有起伏但基本滿足起伏小于1dB的要求。另外測得下限截止頻率為0.1MHz以下，上限截止頻率為180MHz左右。當(dāng)增益大于55dB后，電路發(fā)生明顯的高頻振蕩，經(jīng)多次調(diào)試后仍無法消除，據(jù)推測原因是電路中的電容值未能匹配好，理論上可以通過超前補(bǔ)償解決，但由于電路板空間較小未能實(shí)現(xiàn)。2噪聲測試:在增益大于60 dB的情況下,將輸入接地,測得輸出噪聲較大。原因可能為焊接的時(shí)候未能將不同電路模塊很好的隔離開。3增益特性測試:當(dāng)供電電壓為土5V,輸入信號(hào)頻率為10 MHz,最小輸入為1 mV 有效值時(shí),輸出最大為峰峰值3.664 V。當(dāng)輸入為20 mV有效值時(shí),輸出最小為峰峰值 20 mV?；緷M足對(duì)電壓增益的要求。 五、作品成效總結(jié)分析根據(jù)實(shí)際測量表明，選用OPA847， VCA824，THS3091，MC1403，LM324分別作為前級(jí)放大，中間級(jí)放大，后級(jí)放大和控制電路的電路組合，可以滿足輸入1mV有效值時(shí)，增益在055dB可調(diào)，180MHz范圍內(nèi)增益起伏小于1dB，下限頻率為0.1MHz，上限頻率為180MHz，以及輸