2023全國電子設計競賽設計報告(射頻可控放大器)

2023年全國大學生電子設計大賽論文【本科組】增益可控射頻放大器設計報告2023年8月15日摘要本系統(tǒng)基于對壓控增益放大器VCA824的控制，由前級壓控模塊，后級放大模塊，鍵盤模塊以及屏幕顯示模塊組成。此設計能實現(xiàn)對百兆信號的放大以及程控增益步進放大。前級由VCA824和DAC0832組成，單片機控制DAC0832輸出電壓變化改變VCA824的增益變化，由VCA824輸出的信號經過后級放大20dB達到有效值大于2v的輸出，并且后級使用增益帶寬積達到1.6GHz的OPA657，可以實現(xiàn)通頻帶大于70M的要求。本系統(tǒng)還配備STC90C516單片機控制增益變化以及鍵盤和顯示模塊。經驗證，本系統(tǒng)基本實現(xiàn)了題目的要求。關鍵字：VCA824DAC0832電壓反饋放大器射頻寬帶放大增益步進一、系統(tǒng)方案論證1.1可控增益放大器的方案論證方案一：采用多路開關選擇器來選擇所需放大倍數(shù)對應的運放的跨接電阻來實現(xiàn)增益控制。由于題目要求增益以4dB變化，需要十幾個個電阻才能達到要求，而多路選擇器使電路復雜，影響高頻的頻率特性，容易引起放大器的自激。方案二：采用場效應管或三極管控制增益。主要利用場效應管可變電阻區(qū)（或三極管等效為壓控電阻）實現(xiàn)增益控制，但由于題目要求的頻帶較高較難實現(xiàn)，該方案又需要采用大量分立元件，電路復雜，穩(wěn)定性差。方案三：采用VCA824壓控增益放大器，其特點是dB為單位變化，可以通過單片機控制DAC0832，進而控制VCA824的增益變化。該方案連線簡單，并且直觀，智能并高效。綜上比較，為使電路直觀，清晰，穩(wěn)定，減少自激發(fā)生的可能性，采用數(shù)字化控制的VCA824.1.2射頻放大器選擇的方案論證方案一：采用電壓反饋放大器OPA698。由于該放大器的增益帶寬積為450MHz，基本能滿足要求，成本低。但由于本系統(tǒng)設計僅兩級，固定放大器放大20dB，因此不能滿足通頻帶要求。方案二：采用電流反饋放大器OPA691，OPA2694，特別是OPA2694的電壓壓擺率高達4300V/us，在增益和大信號的調理中表現(xiàn)更好的帶寬和失真度，但是輸入失調電流比較高，題目要求的2dB增益起伏難以實現(xiàn)。方案三：采用電壓反饋放大器OPA657,該放大器的增益帶寬積高達1.6GHz，在20dB的放大倍數(shù)下，依然能滿足通頻帶的要求。但該放大器的去補償?shù)碾妷悍答伔糯笃饔捎诩纳娙葸^大會引起放大器的震蕩，而手工焊接的板子不能夠保證寄生電容很小，難于調試，用PCB電路板有益于電路調試。綜上比較，為了滿足通頻帶要求和盡量減少失真，選擇方案三。系統(tǒng)理論分析與計算2.1增益調整系統(tǒng)的增益調整由VCA824實現(xiàn)，通過單片機控制DAC0832的輸出電壓變化控制VCA824的增益變化。DAC0832的參考電壓f選用5v直流源，則DAC0832的輸出電壓:VCA824的輸出電壓：式子中的、和均為VCA824外接電阻，其中為輸入信號，為控制該芯片增益變化的電壓。經過理論計算，基本能實現(xiàn)本系統(tǒng)所需的-8dB到20dB的變化要求。2.2放大器增益帶寬積運算放大器增益和帶寬存在一定的關系。當放大倍數(shù)增大，則對應的帶寬會變窄，帶寬增益積BW·uA=常數(shù)放大電路的高頻響應：(2-1)式中為放大器的中頻增益，為角頻率，為上限角頻率。當引入負反饋并假設反饋網絡的反饋系數(shù)是與頻率無關的實數(shù)B時，則有(2-2)將式(2-1)代入式(2-2)得(2-3)由此可知，反饋中頻增益為，上限角頻率變?yōu)?2-4)這說明引入負反饋以后，放大電路的上限頻率擴展了，擴展程度與反饋深度F有關。對本系統(tǒng)直流寬帶放大器，放大器下限角頻率為零赫茲，所以無反饋時放大器的通頻帶，引入負反饋后放大器通頻帶擴展到無反饋時的倍。而且有本系統(tǒng)選用的OPA657，其增益帶寬積高達1.6GHz，能滿足通頻帶的要求。但依然需要考慮運放的擺率，驅動負載能力以及放大信號的質量等因素。2.3放大器穩(wěn)定性分析各級之間均用阻容耦合，在兩級之間使用電解電容兩端并接高頻瓷片電容以避免高頻增益下降，并且隔直。將電源線以及數(shù)字信號線均加磁珠和電容。磁珠可濾除電流上的毛刺，電容濾除較低頻率的干擾。在各級之間實現(xiàn)阻抗匹配，減少后面自激現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性。數(shù)字地和模擬地嚴格分開，并且模擬地和數(shù)字地接于一點。2.4頻帶內增益起伏控制本系統(tǒng)后級固定增益放大，根據OPA657芯片手冊提供，其增益為10倍時，帶寬高達160MHz，可達到題目發(fā)揮部分要求“60MHz~130MHz范圍波動”的指標要求。前級級使用壓控放大器VCA824，在一定頻帶內輸出信號會有波動。根據VCA824D芯片手冊提供，在壓控電阻控制端進行頻率補償，可擴展信號頻帶，使輸出信號增益穩(wěn)定，達到題目“波動＜2dB”指標。電路與程序設計3.1電路的設計經過上述的分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊采用的最終方案如下：控制模塊：采用STC90C516單片機電源模塊：采用兩個雙電源增益調整模塊：采用DAC0832和VCA824后級放大模塊：采用OPA657電壓反饋放大器顯示模塊：采用液晶屏LCD1602鍵盤模塊：采用兩個單點鍵系統(tǒng)的總體框圖如圖3.1所示：信號輸入信號輸入信號輸出后級放大增益調整信號輸出后級放大增益調整STC90C516鍵盤模塊STC90C516鍵盤模塊電源LCD顯示電源LCD顯示圖3.1可控電壓增益電路可控增益電路我們采用VCA824和DAC0832,并用單片機控制。為和后級的20dB搭配，我們控制VCA824的增益為-8dB到20dB，以滿足題目要求的大于40dB的要求。具體電路如圖3.1.1所示DAC0832控制模塊我們采用單片機控制管腳高低電平變化來使DAC0832的輸出電壓發(fā)生變化，進而控制VCA824的增益變化，具體電路如圖3.1.2所示：后級放大模塊后級放大電路，一方面需要滿足題目要求電壓增益Av≥40dB，另一方面為了避免放大倍數(shù)過大而自激，引入干擾。末級放大電路應盡可能小但又必須達到要求。為了電路直觀清晰，因此我們選用OPA657作為末級放大電路的放大器，由于其增益帶寬積高達1.6GHz，即使后級放大20dB，帶寬仍滿足要求。具體電路如圖3.1.3所示：圖3.1.3四、測試方案與測試結果4.1測試儀器儀器名稱：型號：函數(shù)信號發(fā)生器SP1641B數(shù)字示波器TDS1002B直流電源+12v穩(wěn)壓電源4.2測試方法由信號源輸出有效值為20mv的信號，調節(jié)頻率變化和增益變化，分別觀察測試VCA824的輸出電壓和經后級放大輸出的信號，采用點頻法測量電路的幅頻特性，觀察波動范圍。4.3測試結果測試數(shù)據注：V=20mv4.3.1通頻帶測試頻率增益(dB)60MHz70MHz75MHz80MHz012.0mV12.3mV12.4mV12.5mV20109mV109mV110mV109mV401.08V1.06V1.08mV1.07mV頻率增益(dB)85MHz90MHz100MHz110MHz012.1mV11.8mV11.7mV10.4mV20110mV107mV108mV98mV401.08V1.03V963mV975mV4.3.2步進增益測試理論增益（dB）某頻率下實際增益(dB)12dB16dB20dB24dB70MHHz10111517誤差2557測試結果分析：理論增益（dB）某頻率下實際增益(dB)28dB32dB36dB40dB70MHz25313438100MHz20252932誤差87584.4測試結果分析由此可見，在高頻段增益持續(xù)下降，并且誤差大。其他都能接近預設的要求。五、結論與系統(tǒng)改進措施1．作品達到了題目所有基本和發(fā)揮部分的部分功能及指標的要求：（1）電壓增益Av≥20dB，輸入電壓有效值Ui≤20mV。Av在12～40dB范圍內可調。（2）最大輸出正弦波電壓有效值Uo≥200mV，輸出信號波形無明顯失真。（3）放大器BW-3dB的下限頻率fL≤60MHz，上限頻率fH≥130MHz，并要求在60M到130M頻帶內增益起伏≤1dB。（4）放大器的輸入阻抗=50歐，輸出阻抗=50歐（5）本設計多使用集成芯片，以較低的成本實現(xiàn)了題目要求。（6）電壓增益Av≥40dB，輸入電壓有效值Ui≤2mV。Av