2015可控增益射頻放大器設(shè)計(jì)報(bào)告

1、摘要系統(tǒng)采用四級(jí)放大，電源選用LM1875將單電源轉(zhuǎn)換為雙電源，選用LM317、LM337和四輸出變壓器組成兩組直流可調(diào)穩(wěn)壓電源，用作正負(fù)電源，選用LMH6552芯片搭建全差分放大電路，選用寬頻帶壓控增益放大器VCA821控制增益。放大器輸入5mV,100MHz時(shí)，輸出電壓有效值為2.9V大于2V，增益大于52dB；50MHz-160MHz頻率范圍內(nèi)增益波動(dòng)都在2dB內(nèi)；通頻帶在60MHz-200MHz內(nèi)。完成了所有基本部分的要求和部分發(fā)揮部分的要求。關(guān)鍵詞：射頻放大器、VCA821、可控增益、VGA一、系統(tǒng)方案論證與選擇11.1 系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換選擇11.2 系統(tǒng)電源穩(wěn)壓方案21.3 高頻放大器

2、的選擇21.4 MCU的選擇2二、理論分析與參數(shù)計(jì)算32.1 射頻放大器設(shè)計(jì)32.2 頻帶內(nèi)增益起伏控制32.3 射頻放大器穩(wěn)定性32.4 增益調(diào)整3三、 電路與程序設(shè)計(jì)43.1 電路設(shè)計(jì)43.11電源模塊43.12 放大模塊43.13 增益控制模塊53.2 程序設(shè)計(jì)53.21 軟件設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)工具53.22 程序流程圖5四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果64.1 測(cè)試方案及條件64.11 測(cè)試儀器64.12 系統(tǒng)測(cè)試64.13 測(cè)試結(jié)果分析7五、 附錄9 1、總電路圖92、程序代碼11一、系統(tǒng)方案論證與選擇系統(tǒng)主要由電源模塊、放大模塊、增益控制模塊、最小系統(tǒng)模塊組成。下面分別討論這幾個(gè)模塊的選擇。1.

3、1 系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換選擇該系統(tǒng)提供+12V單電源。在放大器設(shè)計(jì)中，若采用單電源Vcc供電，則需將運(yùn)放的輸入端的一端電壓抬高為Vcc/2，這樣才能獲得最大幅值，但是這樣的設(shè)計(jì)方案會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，運(yùn)放的工作電流會(huì)非常大，運(yùn)放發(fā)熱量大，使系統(tǒng)難以保證穩(wěn)定工作。為此，該射頻放大器采用雙電源供電。圖 1方案一：如圖1.1.1，采用兩只阻值一樣的大功率電阻，用電阻分壓的方式獲得正負(fù)電源，但是這種電路自身消耗大，阻值較大時(shí)帶負(fù)載的能力又太弱。圖 1.1.1方案二：在方案一上加以改進(jìn)，如圖1.1.2增加兩個(gè)三極管，加強(qiáng)了電路的帶負(fù)載能力，其輸出電流的大小取決于Q1和Q2的最大集電極電流ICM。通過(guò)反饋回路可使

4、兩路負(fù)載不相同時(shí)也能保持正負(fù)電源基本對(duì)稱。圖 2方案三：將運(yùn)放接成電壓跟隨器，輸出電流取決于運(yùn)放的負(fù)載能力。如需較大的輸出功率，可采用開(kāi)環(huán)增益提高的功放集成塊，例如TDA2030、LM1875等。這種電路簡(jiǎn)單，但性能較前面電路都好。綜上，選擇方案三。該芯片價(jià)格較便宜，外圍器件簡(jiǎn)單，紋波小，效率高，輸出功率高，符合供電要求。1.2 系統(tǒng)電源穩(wěn)壓方案由于射頻放大器的頻率非常高，對(duì)電源的要求也十分苛刻，必須保證能提供低紋波的電源。方案一：采用7905，7805芯片設(shè)計(jì)正直流穩(wěn)壓電源，此系列芯片最大輸出電流1.5A，能滿足系統(tǒng)的電源要求，但是該系列穩(wěn)壓芯片的輸出紋波比較大。方案二：采用LM317和LM

5、337和四輸出變壓器組成兩組直流可調(diào)穩(wěn)壓電源，用作正負(fù)電源，調(diào)壓范圍在1.26-37V之間，紋波可低于4mv，最大輸出電流為1.5A，帶負(fù)載能力強(qiáng)?？蓾M足題目要求。綜合分析，選擇方案二。1.3 高頻放大器的選擇方案一：使用分立元件搭建共基極放大器。在三極管搭建的三類放大電路中，共基極放大器電壓增益大，電流增益小，輸出電阻小，適合于高頻工作。但由于題目要求的頻率范圍大，故對(duì)于放大三極管型號(hào)的選擇以及電路的搭建布線等都要求較大，實(shí)行起來(lái)比較困難。方案二：使用LMH6552芯片搭建的全差分放大電路。該芯片適用頻率高，增益Av=1時(shí)，帶寬可達(dá)1Ghz，帶寬大，帶寬內(nèi)增益波動(dòng)小，電路搭建布線等相對(duì)容易。

6、VCA821是一款直流耦合型寬頻帶壓控增益放大器，按V/V線性變換，最大工作頻率寬度可達(dá)710MHz。放大器增益由控制電壓決定，增益調(diào)節(jié)范圍超過(guò)40dB，需單極性電壓進(jìn)行控制，不易產(chǎn)生自激。正負(fù)5V供電。有較高的輸出電流和增益精確度。綜合分析，選擇方案二。滿足題目要求（3dB的通頻帶不窄于40MHz200MHz）。增益可控放大器在75MHz108MHz頻率范圍內(nèi)增益波動(dòng)小，最大頻率大于130MHz，滿足題意（3dB的通頻帶不窄于60MHz130MHz），并且輸出電流較大和增益精確度較高。1.4 MCU的選擇方案一：選擇STC89C52RC單片機(jī)STC89C52RC以8051為內(nèi)核的8位微處理器

7、。4K程序存儲(chǔ)器（ROM），128B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）,5V左右供電，4組8位并行I/O口，兩個(gè)定時(shí)器，外接612M晶振。操作簡(jiǎn)單，價(jià)格最便宜，但51單片機(jī)內(nèi)部沒(méi)有ADC和DAC功能，需要外接專用芯片。增加了電路的復(fù)雜程度。方案二：選擇MSP430F169單片機(jī)MSP430F169是16位超低功耗，具有精簡(jiǎn)指令集的混合信號(hào)微處理器。工作電壓范圍3.3V左右。內(nèi)含有定時(shí)器A和定時(shí)器B，具有捕獲，比較功能。12位ADC和12位DAC，有較高的轉(zhuǎn)換速度，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的需要。6組I/O口滿足一般情況下使用。與此同時(shí)，價(jià)格相對(duì)便宜，且易于控制。綜合分析，我們組選擇方案二。該單片機(jī)價(jià)格適中

8、，操作較為簡(jiǎn)單，內(nèi)含12位DAC，輸出電壓范圍02.5V，可以控制射頻放大器增益。二、理論分析與參數(shù)計(jì)算2.1 射頻放大器設(shè)計(jì)題目中要求放大器增益可控并且通頻帶上限截止頻率至少為160MHz，增益至少為52dB，在50MHZ-160MHz范圍內(nèi)波動(dòng)不大于2dB。因此射頻放大器的選擇需要寬帶范圍大，增益可變且線性控制的放大器，VCA821在性能上滿足要求。題目要求放大器電壓增益至少52dB,當(dāng)輸入電壓為5mV是輸出電壓有效值至少為2V 。 2 x 2=5.656 V即峰峰值至少為5.656 V 放大器既要保證有很大的增益又需要寬頻帶，高平坦度。因此設(shè)計(jì)四級(jí)放大電路，以滿足題目52dB的增益和40

9、MHz-200MHz的通頻帶以及在50MHz-160MHz范圍內(nèi)增益波動(dòng)小于2dB的要求。2.2 頻帶內(nèi)增益起伏控制造成頻帶內(nèi)增益起伏的原因很多，其中包括運(yùn)放幅頻響應(yīng)不平坦及供電電源不穩(wěn)定等。為了防止因?yàn)榉糯蟊稊?shù)過(guò)高而使起伏變大，所以我們將電路增加級(jí)數(shù)，將每一級(jí)的放大倍數(shù)變小，并且引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋，穩(wěn)定輸出電壓，減小輸出電阻，提高帶負(fù)載能力，這樣可以滿足帶寬及增益要求且減小頻帶內(nèi)增益起伏。調(diào)節(jié)耦合電容容值改變?nèi)菘箍梢钥刂祁l帶內(nèi)增益起伏變化。2.3 射頻放大器穩(wěn)定性本系統(tǒng)為射頻寬帶放大器，頻率很高，并且放大倍數(shù)較大，為不影響寬帶，采用多級(jí)級(jí)聯(lián)，但是系統(tǒng)穩(wěn)定性容易受到影響并且容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象。為

10、了提高放大器的穩(wěn)定性，必須要將供電電壓濾波，否則容易混入高頻噪聲，這里我們通過(guò)屏蔽盒進(jìn)一步對(duì)外界影響進(jìn)行鞏固。系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要取決于系統(tǒng)的相位裕量，所以必須要留有適當(dāng)?shù)南辔辉Ａ?。在本系統(tǒng)中，將高頻信號(hào)部分全部采用雙面板印制，并且采用銅板大面積接地，減小接地回路，電容電阻全部采用貼片封裝，減小元器件的影響。2.4 增益調(diào)整VCA821增益控制引腳電壓在0-2V內(nèi)可線性控制增益。題目要求放大器電壓增益大于52dB，增益控制步長(zhǎng)為4dB。信號(hào)通過(guò)三級(jí)放大并且在最后一級(jí)增益可控射頻放大器0-40dB范圍的線性控制下可以使增益達(dá)到52dB（放大倍數(shù)約398倍）且步進(jìn)為4dB。52/4=13 次 2/13

11、0.15 V因此DAC需要步進(jìn)0.15V就可以達(dá)到要求。3、 電路與程序設(shè)計(jì)3.1 電路設(shè)計(jì)3.11電源模塊按照題意要求將單電源轉(zhuǎn)換為雙電源，LM1875芯片將+12V轉(zhuǎn)化為10V。圖 3LM317和LM337組成雙電源將10V轉(zhuǎn)化為5V為系統(tǒng)圖 43.12 放大模塊LMH6552構(gòu)成三級(jí)全差分放大電路。圖 53.13 增益控制模塊VCA821壓控增益放大器,負(fù)載50。 圖 63.2 程序設(shè)計(jì)3.21 軟件設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)工具使用MSP430F169單片機(jī)作為控制芯片，通過(guò)對(duì)I/O端口，DAC，和液晶的初始化設(shè)置實(shí)現(xiàn)題目的增益步進(jìn)控制和顯示功能。設(shè)計(jì)工具使用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)IAR FOR MSP43

12、0 6.33.22 程序流程圖開(kāi)始系統(tǒng)初始化液晶初始化DAC初始化PORT1初始化使能總中斷顯示DAC控制的增益值是否有按鍵被按下？是否進(jìn)入PORT1中斷，DAC電壓增加或減少0.2V結(jié)束 四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1 測(cè)試方案及條件4.11 測(cè)試儀器DS4054示波器，直流穩(wěn)壓電源，負(fù)載電阻50，EE5113型無(wú)線電綜合測(cè)試儀，SP30120型數(shù)字合成掃描儀。4.12 系統(tǒng)測(cè)試測(cè)試方法：測(cè)試采用點(diǎn)頻法測(cè)量電壓增益。測(cè)試數(shù)據(jù)：表1MHz1020304050607080V10.20.20.20.420.550.730.91.06V20.220.240.30.460.620.861.061.31V

13、30.410.420.971.472.062.442.752.94MHz90100110120130140150160V11.171.31.41.471.421.411.451.5V21.521.711.922.012.032.022.032.01V32.922.92.92.722.622.562.472.47MHz170180190200210220230240V11.51.51.51.471.441.471.441.37V22.032.012.021.941.811.821.81.75V32.352.312.342.222.122.212.152.09MHz2502602702802903

14、00V11.31.251.21.21.21.2V21.651.521.521.51.451.42V31.971.91.941.941.941.97圖 74.13 測(cè)試結(jié)果分析根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，三組幅頻曲線中第三組效果最好。1、 放大器輸入5mV,100MHz時(shí)，輸出電壓有效值為2.9V大于2V，增益大于40dB；2、 50MHz-160MHz頻率范圍內(nèi)增益波動(dòng)都在2dB內(nèi)；3、 通頻帶在60MHz-200MHz內(nèi)，小于題目要求的40MHz-200MHz；4、 電壓增益大于52dB時(shí)，當(dāng)信號(hào)頻率小于20MHz時(shí)，輸出電壓有效值為0.42V，不滿足題意小于20dB的要求；系統(tǒng)基本滿足題目中的各項(xiàng)要

15、求，系統(tǒng)能夠完成各項(xiàng)指標(biāo)得益于選擇器件的準(zhǔn)確性。選擇了高增益高帶寬運(yùn)放LMH6552和可調(diào)高增益可衰減器件VCA821，并且采用了多種抗干擾的措施，如使用了SMA頭作為輸入級(jí)，嚴(yán)格遵守芯片廠商的布線意見(jiàn)。在進(jìn)行個(gè)別項(xiàng)目測(cè)試時(shí)由于空氣中以及各種儀器中存在的噪聲干擾，所以對(duì)前級(jí)放大電路做了屏蔽。但是由于比賽時(shí)間限制和調(diào)參數(shù)對(duì)整體電路性能有很大影響，高通濾波器的設(shè)計(jì)達(dá)不到要求，不能達(dá)到20MHz以下頻率有效濾除。5、 附錄1、總電路圖2、程序代碼/*1、按鍵控制DAC輸出電壓控制高頻放大器增益2、液晶顯示增益值*/#include msp430.h#include 12864.hvoid syste

16、m_init();void DAC();void xianshi();void port1_initial();float num=0;uint shiwei,gewei;void main() system_init(); xianshi(); _EINT(); DAC(); port1_initial(); while(1) shiwei=(uchar)(num*20/10); /增益十位 gewei=(uchar)(num*20)%10; /增益?zhèn)€位 display_graphic_8x16(1,40,*(ASCII_table+shiwei); display_graphic_8x16

17、(1,48,*(ASCII_table+gewei); void system_init()/*外部時(shí)鐘，看門狗配置*/ uint i; /聲明變量 WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; /關(guān)閉看門狗 BCSCTL1 &= XT2OFF; /打開(kāi)外部高速晶振 do IFG1 &= OFIFG; /清除時(shí)鐘未就緒標(biāo)志 for (i = 0xFF; i 0; i-); /等待外部高速時(shí)鐘就緒 while (IFG1 & OFIFG); /外部高速時(shí)鐘就緒？ BCSCTL2 |= SELM_2; /主時(shí)鐘=外部高速時(shí)鐘void xianshi() initial_lcd(); /128

18、64液晶顯示初始化 clear_screen(); /clear all dots display_graphic_16x16(1,0,zeng); display_graphic_16x16(1,16,yi); display_graphic_8x16(1,32,maohao); display_graphic_8x16(1,64,zimu_d); display_graphic_8x16(1,72,zimu_B);void DAC() ADC12CTL0 |= REF2_5V+REFON; /在ADC中設(shè)置DAC的參考電壓,開(kāi)啟參考電壓 DAC12_0CTL |= DAC12IR+DAC12AMP_5;void port1_initial() P1DIR=0x0