全國(guó)二等獎(jiǎng)_射頻寬帶放大器_設(shè)計(jì)方案_設(shè)計(jì)理論2013-9-8

1、射頻寬帶放大器(D題)摘要：本作品采用OPA842 ，AD8009和OPA8045設(shè)計(jì)多級(jí)射頻寬帶放大器。作品中設(shè)計(jì)了高效率直流穩(wěn)壓電源，使用了阻抗匹配以及多種抗干擾措施以減少外界噪聲，同時(shí)抑制高頻自激，使得射頻放大器的性能穩(wěn)定，功能完善，實(shí)現(xiàn)了題目中1mv小信號(hào)放大和60db高增益。本設(shè)計(jì)具有高帶寬，低噪聲，增益可調(diào)等特點(diǎn)，能對(duì)要求的小信號(hào)進(jìn)行高增益，低失真，低噪聲的放大。 AbstractThis work designs a multi-stage radio frequency broadband amplifiers with OPA842, OPA8009 and AD8045.

2、The efficient DC regulated power supply is implemented, and impedance matching and anti-interference techniques are used to reduce noises and suppress the high frequency excitation, which can make the designed amplifier being table and achieve the requirements. This design has the advantanges of hig

3、h bandwidth, low noise and adjustable gain and can be used to amplify small signals with high gain, low distortion and low noise.目錄目錄21 方案比較與論證：12 理論分析與計(jì)算22.1 寬帶放大器設(shè)計(jì)22.2 5階無(wú)源巴特沃斯高通濾波器32.3 頻帶內(nèi)增益起伏控制32.4 射頻放大器的穩(wěn)定性42.5 增益調(diào)整43系統(tǒng)硬件電路整體設(shè)計(jì)（見(jiàn)附錄2）54 系統(tǒng)測(cè)試方案54.1測(cè)試方法54.2 測(cè)試儀器54.3測(cè)試結(jié)果及分析64.3.1基本要求64.3.2擴(kuò)展要求65 競(jìng)

4、賽感想86 附錄8附錄1系統(tǒng)硬件電路整體設(shè)計(jì)8附錄2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求91 方案比較與論證：綜合分析題目要求，在較寬的信號(hào)帶寬內(nèi)，要實(shí)現(xiàn)0-100M帶寬，對(duì)1mv小信號(hào)進(jìn)行60db放大并保持帶內(nèi)增益1db起伏是本題的難點(diǎn)。要得到很好的性能指標(biāo)，放大電路的噪聲抑制和自激振蕩也是很難解決的問(wèn)題。此外此電路的設(shè)計(jì)中要考慮成本因素。方案一：采用一級(jí)差分和二級(jí)寬帶放大首先用TI公司的具有370M帶寬的差分寬帶芯片THS4500進(jìn)行低噪聲的前級(jí)放大，將輸入信號(hào)放大到合適電壓后，再用OPA842進(jìn)行后級(jí)放大，理論放大有效值能達(dá)到200mv。該方案對(duì)噪聲抑制最好，但是理論分析，電路調(diào)試?yán)щy。方案二：采用多級(jí)寬帶

5、放大 該方案通過(guò)選用滿足功能指標(biāo)的運(yùn)算放大器，通過(guò)多級(jí)級(jí)聯(lián)的形式，合理選取每級(jí)放大增益，最終達(dá)到題目功能指標(biāo)。該方案對(duì)芯片性能要求較高，但具有容易調(diào)節(jié)，電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，實(shí)際操作行高。方案三：采用一級(jí)程控放大和二級(jí)寬帶放大第一級(jí)采用可調(diào)增益的程控放芯片VCA820進(jìn)行前級(jí)放大，再用OPA695進(jìn)行第二級(jí)寬帶放大。該方案具有增益程控，可以較好的解決放大器增益非線性的問(wèn)題，具有自動(dòng)調(diào)節(jié)增益的特點(diǎn)，但一般程控放大芯片受帶寬限制，很難達(dá)到100M放大帶寬要求。方案選擇: 本次設(shè)計(jì)選用方案二，基礎(chǔ)部分通過(guò)運(yùn)用兩片單位帶寬400M的OPA842進(jìn)行每級(jí)6倍的簡(jiǎn)單級(jí)聯(lián)放大，最終達(dá)到36倍(20dB)放大，滿足

6、系統(tǒng)指標(biāo)要求。OPA842具有低失真（93dBc(5MHz) ），低噪聲（2.6nV/），高壓擺率的特點(diǎn)。在0-50M的帶寬內(nèi)，對(duì)小信號(hào)放大具有平坦的頻率響應(yīng)。該芯片前期準(zhǔn)備充足，使用熟悉，能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。擴(kuò)展部分，通過(guò)選取1G帶寬的AD8009對(duì)小信號(hào)進(jìn)行初級(jí)放大，再通過(guò)兩級(jí)AD8045進(jìn)行次級(jí)放大。通過(guò)調(diào)節(jié)每級(jí)增益，達(dá)到60dB的放大增益。AD8009具有高帶寬，高帶寬增益積，低失真（50 dBc 100 MHz），低噪聲（3 nV/），在100M帶寬內(nèi)具有較平坦的小信號(hào)頻率響應(yīng)。次級(jí)級(jí)聯(lián)的AD8045具有高壓擺率（5500 V/µs），高帶寬的特點(diǎn)，級(jí)聯(lián)后能滿足性能指標(biāo)。2 理論分

7、析與計(jì)算2.1 寬帶放大器設(shè)計(jì)放大器鏈路組成如圖1. 圖2所示： 圖 1 基本要求放大器組成鏈路 圖 2 擴(kuò)展部分放大器組成鏈路圖1和圖2標(biāo)注了本設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)部分中每級(jí)增益的分配，并在下方根據(jù)官方datasheet，在下方標(biāo)注了理論帶寬。2.2 5階無(wú)源巴特沃斯高通濾波器 為滿足題目要求的幅頻特性曲線，我們采用五階巴特沃斯高通濾波器對(duì)運(yùn)算放大器輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，濾波器電路原理圖如下： 圖3 5階無(wú)源巴特沃斯高通濾波器2.3 頻帶內(nèi)增益起伏控制由于影響各器件的幅頻特性平坦度的因素有很多，所以系統(tǒng)通頻帶內(nèi)增益很容易出現(xiàn)起伏。所以選取的芯片必須具有合適的增益帶寬積，壓擺率，失調(diào)電流，失調(diào)電壓以及溫度

8、系數(shù)。本設(shè)計(jì)方案中的前級(jí)放大選取了芯片OPA842，該芯片在0-30M內(nèi)對(duì)小信號(hào)放大具有十分平坦的頻率響應(yīng)，在30-100M內(nèi)最大0.5dB的起伏。而后級(jí)放大采用的運(yùn)放OPA695在0-250M的帶寬內(nèi)保持平坦的頻率響應(yīng)，到300M時(shí)才出現(xiàn)明顯的衰減。因此本方案的前后級(jí)連接后，能達(dá)到本題的設(shè)計(jì)指標(biāo)。2.4 射頻放大器的穩(wěn)定性放大器要達(dá)到絕對(duì)穩(wěn)定，放大器不僅不能同時(shí)接近自激振蕩條件： 和 ,而且要留有適當(dāng)?shù)母辉Ａ俊．?dāng)放大器出現(xiàn)自激振蕩的問(wèn)題時(shí)，可以在電路中增加零極點(diǎn)來(lái)做相位補(bǔ)償，以達(dá)到穩(wěn)定性。電路中的不良接地和不充分的供電電源，大容量容性負(fù)載和高頻噪聲都對(duì)運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性有影響。通過(guò)以下抗干擾

9、措施，本設(shè)計(jì)方案達(dá)到了較好的穩(wěn)定性。 通過(guò)以下抗干擾措施，本設(shè)計(jì)方案達(dá)到了較好的穩(wěn)定性。：信號(hào)源、各級(jí)電路之、示波器之間采用鍍銀屏蔽同軸電纜連接。：整個(gè)電路裝置放置于防屏蔽鐵盒中。：退耦電容盡量接近芯片電源引腳。 2.5 增益調(diào)整 反向放大電路的原理如下圖所示： 圖4 反向放大電路放大電路的增益，通過(guò)調(diào)整R2（R2為可調(diào)電位器）的阻值，來(lái)改變放大電路的增益。3系統(tǒng)硬件電路整體設(shè)計(jì)（見(jiàn)附錄2）4 系統(tǒng)測(cè)試方案4.1測(cè)試方法 本設(shè)計(jì)采用點(diǎn)頻測(cè)試法，測(cè)試框圖如下： 圖5 測(cè)試方案4.2 測(cè)試儀器表1 測(cè)試儀器儀器型號(hào)120M信號(hào)發(fā)生器F120100MHZ示波器DS1102E 6位半電壓表AGILEN

10、T 34401A 4.3測(cè)試結(jié)果及分析4.3.1基本要求：幅度調(diào)節(jié)測(cè)試 通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電位器，能實(shí)現(xiàn)0-20dB增益調(diào)節(jié)，滿足基本要求一。：0-20M通頻帶增益測(cè)試測(cè)試條件：Vin=17.68rms (mv) (50mv VPP) ，輸出信號(hào)如下： 表2 0-20M通頻帶增益測(cè)試 頻率/MHZ0.20.30.50.8135實(shí)測(cè)Vrms/mv206.48229.10240.42243.24246.07263.04260.22增益/dB21.3522.2522.6522.7722.8723.4523.35頻率/MHZ8101113151820實(shí)測(cè)Vrms/mv263.04260.22268.7026

11、8.70268.70274.36277.19增益/dB23.4523.3523.6323.6323.63238123.91 :由表2可知，輸入信號(hào)在0-20M通頻帶內(nèi)都能達(dá)到Vrms200mV，滿足基本要求二。 :由表2可知，當(dāng)輸入在1M的測(cè)得最小Vrms=246.07mv，在15M取得最大Vrms= 268.70mv，最大波動(dòng)為0.76dB,滿足題目基本要求三。4.3.2擴(kuò)展要求：幅度調(diào)節(jié)測(cè)試測(cè)試條件：Vin=0.00098 rms (v) (2.8mv VPP)，輸出信號(hào)如下：表3 0-50M 1mv小信號(hào)增益測(cè)試頻率/MHZ0.20.30.50.8135實(shí)測(cè)Vrms/v2.4042.40

12、42.3762.3772.3762.1922.220增益/dB67.7967.7967.6967.7067.6966.9967.10頻率/MHZ8101215182022實(shí)測(cè)Vrms/mv1.9011.4421.3851.1461.0891.0471.032增益/dB65.8063.3563.0061.3660.9260.5760.45頻率/MHZ25283035404550實(shí)測(cè)Vrms/mv1.0180.9970.8820.7610.6370.5120.391增益/dB60.3360.1559.0857.8056.2654.3652.00由表3知，該設(shè)計(jì)在0-28M內(nèi)，增益能達(dá)到60dB，并

13、且實(shí)際中能實(shí)現(xiàn)幅度0-60dB內(nèi)可調(diào)。:噪聲測(cè)試題目要求在Av=60dB時(shí)，輸出端噪聲電壓的峰峰值VONPP 100mv 。故對(duì)放大器進(jìn)行噪聲測(cè)試。測(cè)試方法：增益預(yù)置為60dB，放大器輸入端加50歐姆電阻匹配到地，用示波器測(cè)量輸出噪聲，幅度為60-80mv。測(cè)試結(jié)果表明放大器在一定的增益范圍內(nèi)能滿足題目對(duì)噪聲的指標(biāo)要求。:100M通頻帶測(cè)試 由表3知本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)在0-28M內(nèi)，增益能達(dá)到60dB，28M之后，增益逐漸下降，分析原因有： ：放大器本身帶寬增益限制。 ：PCB制版工藝限制。 ：電源及其他外界噪聲影響。 5 競(jìng)賽感想通過(guò)這次電子設(shè)計(jì)的經(jīng)歷，小組成員熟悉了電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽流程，學(xué)習(xí)了硬件設(shè)計(jì)

14、的基本方法，對(duì)常用電子元器件有了更深的了解。 6 附錄附錄1系統(tǒng)硬件電路整體設(shè)計(jì) 圖 6 基本要求放大電路圖 7 擴(kuò)展部分放大電路附錄2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求射頻寬帶放大器（D 題） 【本科組】 一、任務(wù) 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)射頻寬帶放大器。 二、要求 1基本要求 （1）電壓增益 Av 20dB，輸入電壓有效值 Ui 20mV。Av 在 020dB 范圍內(nèi)可調(diào)。 （2）最大輸出正弦波電壓有效值 Uo200mV，輸出信號(hào)波形無(wú)明顯失真。 （3）放大器 BW-3dB 的下限頻率 fL 0.3MHz，上限頻率 fH20MHz，并要求在 1MHz15MHz 頻帶內(nèi)增益起伏1dB。 （4）放大器的輸入阻抗 = 50

15、，輸出阻抗 = 50 。 2發(fā)揮部分 （1）電壓增益 Av 60dB，輸入電壓有效值 Ui 1 mV。Av 在 060dB 范圍內(nèi)可調(diào)。 （2）在 Av 60dB 時(shí)，輸出端噪聲電壓的峰峰值 UoNpp 100mV。 （3）放大器 BW-3dB 的下限頻率 fL 0.3MHz，上限頻率 fH100MHz，并要求在 1MHz80MHz 頻帶內(nèi)增益起伏1dB。該項(xiàng)目要求在 Av 60 dB （或可達(dá)到的最高電壓增益點(diǎn)），最大輸出正弦波電壓有效值 Uo 1V，輸出信號(hào)波形無(wú)明顯失真條件下測(cè)試。 （4）最大輸出正弦波電壓有效值 Uo 1V，輸出信號(hào)波形無(wú)明顯失真。 （5）其他（例如進(jìn)一步提高放大器的增益、帶寬等）。 三、說(shuō)明 1要求負(fù)載電阻兩端預(yù)留測(cè)試端子。最大輸出正弦波電壓有效值應(yīng)在