射頻寬帶放大器可行性設(shè)計(jì)研究方案

射頻寬帶放大器可行性設(shè)計(jì)研究方案本作品選用低噪聲放大電路，濾波電路，壓控增益放大電路，功率放大電路等電路模塊來完成放大器的各項(xiàng)指標(biāo)。低噪聲放大電路用于放大輸入的微弱信號同時(shí)減少等效輸入噪聲。濾波電路分為截止頻率不大于 300KHz的高通濾波電路和截止頻率不小于100MHz的低通濾波電路，保證輸入信號的帶寬至少在0.3MHz?100MHz范圍內(nèi)。壓控增益放大電路選用VCA821可控增益放大器為主控芯片，通過程控電壓來調(diào)節(jié)電路的放大倍數(shù)。在后級增加功率放大電路或者跟隨器， 增強(qiáng)電路帶負(fù)載能力，繼而使得輸出阻抗?jié)M足要求。整體電路要求在0.3MHz?100MHz頻帶內(nèi)，電壓增益不小于60dB,輸出信號波形無明顯失真。經(jīng)測試電路，放大器的基礎(chǔ)部分可達(dá)到指標(biāo)，誤差均在可控范圍內(nèi)。通過小信號繼電器選擇通道實(shí)現(xiàn)不同的放大倍數(shù)，最終電壓增益能達(dá)到 60dB,且能實(shí)現(xiàn)在0?60dB范圍內(nèi)可調(diào)。關(guān)鍵詞：低噪聲放大；濾波；程控放大；VCA821101方案設(shè)計(jì)與論證1.1總體方案描述射頻寬帶放大器要求輸入信號的電壓有效值Ui不大丁1mV,屆丁極微弱信號，因此在電路中檢測時(shí)需要對信號進(jìn)行低噪聲放大。由丁題目要求放大器的帶寬在0.3MHz?100MHz,濾波電路是整體電路中不可缺少的一部分。電壓增益可調(diào)采用壓控增益放大器，通過MSP430F149單片機(jī)控制電壓變化，根據(jù)VCA821壓控增益放大器的放大倍數(shù)（dB）與控制電壓呈線性變化這一特性，在外部設(shè)定不同的參考電壓同時(shí)配合各級放大電路可以實(shí)現(xiàn)0?60dB范圍內(nèi)可調(diào)電壓增益。由題目可知，其主旨是在設(shè)定好的頻帶范圍內(nèi)改變輸入信號的頻率，設(shè)計(jì)出在不同頻率下，電壓增益不小丁60dB的放大電路，在放大電路的基礎(chǔ)上繼續(xù)擴(kuò)展功能。方案一：對輸入的小信號先濾波后進(jìn)行放大，在后級的放大電路中可能會摻入雜波，影響輸出結(jié)果。方案二：對輸入信號先進(jìn)行低噪聲放大后濾波， 然后把單端信號轉(zhuǎn)為差分信號,用丁抑制共模噪聲，再經(jīng)過壓控可調(diào)放大，最后用繼電器選擇不同的放大。經(jīng)論證，為了使得整體電路的誤差降到最小，選擇方案二。系統(tǒng)框圖如圖1-1所示圖1-1系統(tǒng)框圖1.2放大電路本題要求輸入信號有效值UiWmV,屆丁極微弱信號，為便丁后級電路的檢測同時(shí)減小等效輸入噪聲，需對輸入信號進(jìn)行低噪聲放大。方案一：采用分立元件（如三極管）進(jìn)行放大電路的設(shè)計(jì)，此方案元器件成本低，但是在實(shí)際電路中，焊接比較復(fù)雜，測試也復(fù)雜，不便丁整體電路，檢測，但是這是放大電路的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)比較簡單的放大電路是可以考慮此方案的。方案二：采用低功耗、電壓反饋型集成運(yùn)算放大器 THS4021為放大電路的主控芯片用來放大輸入端口的極微弱信號，THS4021芯片的最大帶寬可達(dá)到350MHz,完全可以滿足題目100MHz的帶寬要求，而且使用集成芯片設(shè)計(jì)放大電路比較簡單，遇到問題后方便檢查，并且可以減小電路的誤差。經(jīng)論證，為便于后級電路的測試，選用集成芯片THS4021來設(shè)計(jì)低噪聲放大電路，即選擇方案二。1.3濾波電路放大器要求輸入信號的頻率至少在0.3MHz?100MHz范圍內(nèi)，即放大電路的帶寬下限截止頻率fi<0.3MHz,上限截止頻率fh物00MHz,需要設(shè)計(jì)截止頻率為300KHz的高通濾波電路和截止頻率為100MHz的低通濾波電路。在本電路中，設(shè)計(jì)低通濾波電路保證帶寬至少在100MHz內(nèi)。方案一：設(shè)計(jì)有源濾波器。有源濾波電路由無源元件和有源器件構(gòu)成，其優(yōu)點(diǎn)是在通頻帶內(nèi)信號不僅能量損耗少，還可以放大信號，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級級聯(lián)時(shí)相互影響較小，并且濾波器體積小，不需要磁屏蔽；缺點(diǎn)是通帶范圍受有源器件的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不好，在高頻、高壓、大功率的場合不適用。然而，題目明確要求輸入信號為高頻信號，故此方案不可用。方案二：設(shè)計(jì)無源濾波器。無源濾波電路僅由無源器件（ R、L、C）組成，這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)在于不需要直流電源供電，可靠性高；缺點(diǎn)是通帶內(nèi)的信號有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感L較大時(shí)，濾波器的體積和重量都比較大，不適合在低頻域使用，在高頻域使用比較合理。題目是射頻寬帶放大器,即輸入信號為高頻信號,相比較與方案一，方案二適合本作品的電路設(shè)計(jì)，故選擇方案二。1.4壓控增益放大電路壓控增益放大電路通過程控電壓來調(diào)節(jié)電壓增益,在選取主控芯片的過程中既要使電路中電壓增益在0?60dB范圍內(nèi)可調(diào)，乂要使運(yùn)算放大器的增益可調(diào)帶寬不小于題目限定的帶寬。方案一：選取VCA810為主控芯片設(shè)計(jì)壓控增益放大電路,通過VCA810能夠?qū)崿F(xiàn)電壓增益0?60dB范圍內(nèi)的變化，但是該芯片的壓控增益功能在輸入信號為 35MHz內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)，若輸入信號頻率超出這一帶寬，增益可調(diào)功能將不能實(shí)現(xiàn)，而題目要求的帶寬在0.3?100MHz內(nèi)，因此以VCA810為主控芯片的壓控增益放大電路不可取。方案二：選取VCA821為主控芯片設(shè)計(jì)壓控增益放大電路，當(dāng)輸入信號頻率小于在320MHz時(shí)，VCA821具備程控電壓調(diào)節(jié)電壓增益這一性能，題目要求輸入信號在0.3MHz?100MHz范圍內(nèi)，因此VCA821完全滿足題目要求。經(jīng)上述論證，選取方案二設(shè)計(jì)壓控增益放大電路2理論分析與計(jì)算2.1放大倍數(shù)的確定射頻寬帶放大器要求的電壓增益Av>60dB首先設(shè)計(jì)低噪聲放大電路實(shí)現(xiàn)20dB的放大，低噪聲運(yùn)算放大電路的基本原理是模擬電子技術(shù)中的同相比例運(yùn)算電路， 同相比例運(yùn)算電路如圖2-1所示。圖2-1同相比例運(yùn)算電路由同相比例運(yùn)算電路可知，該電路為閉環(huán)放大電路，圖中的 R14為反饋電阻，根據(jù)理想運(yùn)放的“虛短”和“虛斷”，該電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)如公式（2.1）所示。Auf=1+R14/R15 （2.1）該電路實(shí)現(xiàn)了同相比例運(yùn)算，其值決定丁R15和反饋電阻R14,而與集成運(yùn)算放大芯片內(nèi)部各項(xiàng)參數(shù)無關(guān)。電路中的 R16對運(yùn)算結(jié)果沒有影響，只是為了提高集成運(yùn)放輸入級的對稱性，以便消除集成運(yùn)放的偏置電流及其漂移的影響。本方案選用低功耗、電壓反饋型運(yùn)算放大器THS4021來設(shè)計(jì)低噪聲放大電路。2.2濾波電路為滿足題目要求的帶寬在0.3?100MHz內(nèi)，設(shè)計(jì)了RC高通濾波電路。RC高通濾波電路的截止頻率fh=1/（2兀RC0R為電阻值，C為電容值），根據(jù)不同的截止頻率，設(shè)定不同的電阻值和電容量，通過濾波電路限制輸入信號的帶寬。2.3壓控增益放大電路本方案采用程控電壓調(diào)節(jié)電壓增益，即通過單片機(jī)輸入不同的電壓值來控制電壓增益，在給壓控增益放大器VCA821輸入在0?2V變化的電壓值后，通過示波器測量VCA821的輸出電壓并求得增益，電壓增益在-20dB?20dB范圍內(nèi)變化，由前級20dB放大電路、壓控增益放大電路、OPA695控制的20dB放大電路結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)0?60dB的變化，達(dá)到增益可調(diào)的性能。2.4輸入和輸出阻抗放大器要求輸入和輸出阻抗均為50Q,在輸入和輸出信號的端口分別并聯(lián)50Q電阻來滿足題目要求。2.5射頻放大器穩(wěn)定性射頻放大器的穩(wěn)定性問題非常重要，是保證電路安全穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件，在實(shí)際電路中，若產(chǎn)生信號源阻抗或者負(fù)載阻抗與射頻放大器網(wǎng)絡(luò)不匹配的情況， 電路產(chǎn)生反射，在某些頻率下可能是正反饋，從而導(dǎo)致射頻放大器自激，影響電路分析。在放大器系統(tǒng)中，的即信號源反射系數(shù)，￡是輸入反射系數(shù)，Rut是輸出反射系數(shù)，「L是負(fù)載反射系數(shù)。如果把放大器看作是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，外接信號源輸入和負(fù)載輸出，其穩(wěn)定性條件應(yīng)符合公式(2.2),(2.3),(2.4)和(2.5)所示。IS<1 (n<i2.2)(2.3)En|=|(S11-△Il)/(1-S22「l)|<1 (2.4)Rut|=|(S11-△Il)/(1-S22「l)|<1 (2.5)2.6頻帶內(nèi)增益起伏控制本設(shè)計(jì)中，要求通頻帶內(nèi)增益起伏控制在1dB以內(nèi)，本設(shè)計(jì)采用的是巴特沃斯濾波器，巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒有起伏，雖然在阻頻帶內(nèi)緩慢下降為零，但可以通過增加濾波器階數(shù)來加快阻帶內(nèi)的衰減。經(jīng)過仿真軟件的設(shè)計(jì)，7階橢圓濾波電路可使指標(biāo)達(dá)到要求，提高放大器在通頻帶內(nèi)的穩(wěn)定性。3硬件和軟件設(shè)計(jì)3.1低噪聲放大電路由丁輸入信號屆丁極微弱信號，為了便丁后級電路檢測輸入信號，以及減弱等效輸入噪聲，在信號輸入端選擇以THS4021為主控芯片的低噪聲放大電路。放大電路如圖3-1所示。

由圖3-1所示，R4和R5為反饋電阻，電壓放大倍數(shù)記為Avi，根據(jù)前面理論分析可得：Avi=1+[(R4+R5)/R6]=10,相應(yīng)的電壓增益G=20lg(Avi)=20dB，簡單的放大電路將輸入信號放大十倍。設(shè)計(jì)好的電路經(jīng)過Multisim11.0電路仿真后，仿真的結(jié)果完全達(dá)到要求，仿真圖如圖3-2所示。圖3-2低噪聲放大電路仿真圖3.2濾波電路放大器要求輸入信號的頻率在0.3MHz?100MHz范圍內(nèi)，所以需要在低噪聲放大電路后級加入濾波電路，限定輸入信號的帶寬，在Multisim11.0仿真軟件中仿真出來的波形如圖3-3所示。

ACAnalysis圖3-3帶寬仿真圖3.3單端轉(zhuǎn)差分放大電路為了抑制共模噪聲，提高信噪比，需要將前級單端輸入信號轉(zhuǎn)為差模輸入信號，故設(shè)計(jì)單端轉(zhuǎn)差分放大電路。電路如圖3-4所示。3.4壓控增益放大電路利用程控電壓調(diào)節(jié)電壓增益這一特性可實(shí)現(xiàn)電路增益在 0?60dB范圍內(nèi)可調(diào)，選取壓控增益芯片VCA821。VCA821在頻率為350MHz范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)電壓增益可調(diào)。根據(jù)芯片的功能特性，設(shè)計(jì)出來的電路如圖3-5所示。

圖3-5壓控增益放大電路3.520dB放大電路為使電路的放大倍數(shù)達(dá)到60dB,在后級增加增益為20dB的放大電路，該電路選用OPA695為主控芯片，放大電路如圖3-6所示。彳圖彳圖3-620dB放大電路3.6緩沖電路在信號經(jīng)過前級放大后，電路的帶負(fù)載能力降低，需在放大電路后加一級由運(yùn)算放大器OPA691構(gòu)成的功率放大電路，用以提高電路的帶負(fù)載能力，并且滿足輸出阻抗為50Q,緩沖電路如圖3-7所示。圖3-7功率放大電路在焊接信號放大器時(shí)，要注意地線的布局，盡量使地線環(huán)繞電路一周，焊錫要平滑，以防信號通過焊錫發(fā)射出去，影響整體電路的效果。3.7軟件設(shè)計(jì)作品要求實(shí)現(xiàn)電壓增益可調(diào)，本方案采用MSP430F149單片機(jī)控制矩陣鍵盤和LCD顯示屏共同完成這一要求，通過單片機(jī)給矩陣鍵盤設(shè)定不同的電壓值，然后根據(jù)壓控增益放大芯片VCA821的特性來實(shí)現(xiàn)在不同的輸入電壓值下對應(yīng)電路不同的增益。4測試數(shù)據(jù)分析4.1測試儀器及型號UTT4102C數(shù)字示波器；SDG5162信號源；自制可提供土12V,±5V的穩(wěn)壓電源；超高頻毫伏表；數(shù)字萬用表。信號源提供輸入信號，在經(jīng)過低噪聲放大電路，濾波電路，壓控增益放大電路，功率放大電路后，使得輸入信號的電壓值放大到設(shè)定好的值，并且顯示在示波器上，便丁觀察，分析數(shù)據(jù)。4.2主要測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析4.2.1輸入阻抗測試給電路供電土5V,輸出對地短路，用數(shù)字萬用表測量兩輸入端之間電阻。測得結(jié)果為R=49.8Q。分析可得，輸入阻抗并聯(lián)了一個(gè)很大的外部阻抗，因此實(shí)際測量的輸入會比理論值小一點(diǎn)。4.2.2高通濾波測試高通濾波電路的截止頻率為 300KHz,用信號發(fā)生器輸入固定幅值，頻率變化的幾組信號，用來檢驗(yàn)濾波電路的截止頻率，測試結(jié)果如表4-1所示。表4-1高通濾波電路測試表頻率/MHz0.10.220.290.300.62320增益/dB測量值-8.00-3.58-3.38-2.89-0.68-0.110理論值-8.772-3.66-3.22-3.00-0.814004.2.3放大電路測量表用信號發(fā)生器給系統(tǒng)輸入幾組幅值不同的信號， 找出各級放大電路的測試點(diǎn)，并且設(shè)定壓控增益電路的放大倍數(shù)為10dB,根據(jù)各級放大倍數(shù)求得測量值，測試結(jié)果如表4-2所示。誤差結(jié)果分析：由丁測試電路中示波器的探頭、儀器的內(nèi)阻等客觀因素，都影響輸出信號的放大倍數(shù)，但是誤差都在可控范圍內(nèi)，對整體電路的影響不是很大。表4-2各級電路放大倍數(shù)測量表輸入信號幅值/mV1102028第一級放大幅值/mV測量值9.9598.7187.2278.0理論值10100200280第二級放大幅值/mV測量值99.797919402769理論值100100020002800第三級放大幅值（輸出信號）/mV測量值99299501935026780理論值10001000020000280004.2.4壓控增益數(shù)據(jù)分析對壓控增益放大電路進(jìn)行測試，通過外圍電路輸入不同的電壓值來調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)。電壓增益的各項(xiàng)數(shù)據(jù)如表4-3所示。

表4-3電壓增益變化表輸入電壓值/V實(shí)際輸入值21.50.50芯片上電壓-2-1.5-0.50電壓增益/dB測量值19.89.7-9.6-19.6理論值2010-10-204.2.5通頻帶內(nèi)增益波動數(shù)據(jù)分析題目要求輸入信號在0.3MHz?100MHz范圍內(nèi)能夠完全通過,在1MHz?80MHz頻帶內(nèi)增益起伏＜1dB通頻帶內(nèi)增益波動數(shù)據(jù)如表4-4所示。表4-4 通頻帶內(nèi)增益數(shù)據(jù)表輸入信號頻率