(2013全國一等獎)射頻寬帶放大器..

1、2013 年全國大學生電子設計大賽2013 年全國大學生電子設計大賽論文【本科組】射頻寬帶放大器系統(tǒng)設計報告2013年9月7日2射頻寬帶放大器摘要：本系統(tǒng)基于壓控對數放大器設計，由前級放大模塊，增益控制模塊，（帶寬預置），后級功率放大模塊，鍵盤及顯示模塊組成。具有射頻寬帶數字程控功 能。在前級放大中，用電壓反饋型放大器OPA657,OPA269爭口寬帶壓控放大器VCA820放大輸入信號，輸出放大一定倍數的電壓，經后級OPA2694勺放大電路達到大于1V的有效值輸出，其中電流反饋型放大器OPA657的輸入偏置電流比較 小，對后級電路的調理起到簡化作用，VCA820的使用方便了增益控制，可以手動和

2、程控。經驗證，本方案完成了全部基本功能和擴展功能。關鍵詞：壓控對數放大器電壓反饋放大器射頻寬帶放大一、系統(tǒng)方案論證1.可控增益放大器的方案論證方案一：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）實現增益控制，由于題目要求的頻帶較高。該方案采用 大量分立元件，電路復雜，穩(wěn)定性差。方案二：采用多路選擇器來來改變放大器跨接的電阻的值實現增益控制。該 方案需求每一級放大器都要加多路選擇器，不能實現連續(xù)調節(jié)，影響高頻的頻率特性，容易引起放大器的自激。方案三：根據題目對放大電路增益可控的要求，考慮直接選取可調增益的運 放實現（如VCA820o其特點是以db為單位進行

3、調節(jié)，可控增益土20dB，可以用 單片機方便的預制增益。綜合比較，基于電路集成度高，條理清晰，控制方便，易于數字化單片機處 理的考慮，選擇方案三。2.射頻寬帶放大器選擇的方案論證方案一：采用電壓反饋放大器OPA846 OPA847 OPA657等電壓放大器，該 系列的運算放大器的增益帶寬積很高，但該系列的去補償的電壓反饋放大器由于 寄生電容過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。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更好的帶寬和失真

4、度，但是 輸入失調電流比較高，題目要求的1db增益起伏難以實現。綜合比較，基于帶寬和失真度的考慮，選擇方案一中低失調電流的OPA657二、理論分析與計算1.放大器帶寬增益積（1）電壓反饋型（VFB運算放大器的增益和帶寬存在一定的關系：從對應 的波特圖上可以看出，從直流到由反饋環(huán)路的主極點決定的截止頻率Fc之間，增益是恒定不變的， 在該頻率以上， 如果頻率升高一倍， 增益就會減半。 運算放 大器的-3dB3帶寬就是Fc,增益越高，帶寬越窄，帶寬增益積BW u A =常數，4uA為放大器放大的倍數。所以電路設計時應在放大器的帶寬和增益之間進行折 衷選擇。假設放大電路的高頻響應用下面的單極點函數表示

5、Afj )二Am/(1 j /H)式中Am為放大器的中頻增益，為角頻率，H為上限角頻率。當引入負反饋并假設反饋網絡的反饋系數是與頻率無關的實數B時，則有Af(j )二A(j )/(1 BA(j，)將式(2-1)代入式(2-2)得由此可知，反饋中頻增益為Af =Am/(V AmB)，上限角頻率Hf變?yōu)镠f = H(1 AmB)(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BW二fH，引入負反饋后放大器通頻帶擴展到無反饋時的(1AmB)倍。而且有AmfBWfA2(1 AmB) BW

6、 = AmBW 二常數(1 AmB)(2)電流反饋型(CFB)運算放大器：在電流反饋運放中，開環(huán)響應是輸出電 壓對輸入電流的響應。因此，與電壓反饋運放不同，電流反饋運放輸入和輸出之 間的關系不是用增益表示，一般是用跨阻來表示，因此電流反饋運放也被稱為跨 阻放大器。電流反饋運放的跨阻在500k?1M?之間。與電壓反饋運放不同，電流反饋運放沒有恒定的增益帶寬積。 也就是說，當 增益隨著頻率增加而降低時，降低的規(guī)律就不是增益衰減一半，帶寬擴展一倍的 了。電流反饋運放可以在較寬的增益范圍內保持高帶寬，但這是以反饋阻抗的選擇有限制為代價的。例如，其中一個限制就是電流反饋運放的反饋環(huán)路中不允許 有大電容，

7、因為電容會使高頻下的反饋阻抗降低， 從而導致振蕩。由于同樣原因， 雜散電容也必須控制在運放的反相輸入端周圍。本系統(tǒng)中使用的OPA657帶寬增益積分別為1.6GHz當然，改善系統(tǒng)幅頻特 性不僅僅考慮帶寬增益積就足夠的， 還有其他因數的考慮，如運放的擺率、驅動 負載的能力和小信號放大后的輸出信號質量等。2.放大器穩(wěn)定性分析(1)放大器板上所有運放電源線級數字信號線均加磁珠和電容濾波，磁珠可 濾除電流上的毛刺，電容濾除較低頻率的干擾，它們配合在一起可較好地濾除電 路上的串擾。(2-2)Af(j )=Am/(1 AmB)1 j，/(1佔)H)(2-3)5安裝時盡量靠近IC電源和地。（2）所有信號耦合用

8、點解電容兩端并接高頻瓷片電容以避免高頻增益下降。（3）在兩個焊接板之間傳遞模擬信號時用同軸電纜， 信號輸入輸出使用SMA-BN接頭以使傳輸阻抗匹配，并可減少空間電磁波對本電路的干擾，同時避 免放大器自激。（4）數字電路部分和模擬電路部分的電源嚴格分開，同時數字地和模擬地 電源地一點相連。3.抑制直流零點漂移理論分析零點漂移是指當放大電路輸入信號為零時，由于受溫度變化，電源電壓不穩(wěn)定等因素的影響，是靜態(tài)工作點放生變化，并知己放大和傳輸，導致電路輸出端 電壓偏離原固定值而上下飄動。放大電路級數愈多、放大倍數愈大，輸出端的漂 移現象俞嚴重。抑制零點漂移的措施，除了精選元件、選用高穩(wěn)定度電源以及用 穩(wěn)

9、定靜態(tài)工作點的方法外，在實際電路中可采用補償的方法。補償是指用另外一 個元器件來抵消放大電路的漂移，把漂移抑制在較低的限度之內。前級的放大器 引入的直流對整體的系統(tǒng)影響最大，系統(tǒng)通過手動調節(jié)分壓網絡的方式對前級放 大器引入的直流進行補償。后級運放則通過軟件調節(jié)另一分壓網絡的方式對后級 可控增益放大級引入的直流進行補償。三、硬件電路設計3.1系統(tǒng)框圖圖一系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)主要由前級發(fā)達模塊、增益控制模塊、后級放大模塊、鍵盤及顯示模 塊和電源模塊。如圖一所示。3.2可控電壓增益電路可控增益調節(jié)部分我們使用壓控增益放大器VCA820 VCA820在寬頻帶工作 圖1系模式下，增益控制范圍為-20dB+20

10、dB，但增益dB和控制電壓不是線 性關系。如圖二所示。63.3前級電壓增益放大電路由于OPA657I勺增益帶寬積高達1.6GHz,并且其輸入失調電流僅有土0.25mV,對于后級電路的調理起到相當大的簡化作用，該運放有良好的帶寬增益。如圖三 所示。ZL圖三前級增益放大3.4后級電壓增益放大電路作為末級放大電路，一方面需要滿足題目要求電壓增益Av60dB,另一方面 為了避免放大倍數過大而自激，引入干擾。末級放大電路應盡可能小但又必須達 到要求。方案一：考慮前級放大電路使用優(yōu)越的精密運算放大器OPA657此級放大也 采用該放大器。經過前面三級放大，末級僅僅需要實現4倍放大即可達到題目所 有要求。方案

11、二：考慮單位增益穩(wěn)定性且需電壓反饋運放，可選擇大功率帶寬，單位增益穩(wěn)定，新輸出級結構輸出高的電流占用較小的空間的單電源運放OPA2694通過實際測試，OPA269的測試性能能及輸出好于OPA65的各項指標，并能 完成題目要求的電壓增益Av60dB,且很好的避免因放大倍數太大引起的自激。II圖二壓控增益電路7R2 1k+ VG1?圖三前級增益放大四、軟件仿真在放大電路設計里，系統(tǒng)萬案選取TI公司的OPA2694和OPA657其中，OPA269初二路、寬帶、低功耗電流反饋運算放大器，電流反饋運放可以在較寬 的增益范圍內保持高帶寬，而且OPA657的增益帶寬積高達1.6GH z,并且其輸入 失調電壓

12、僅有土0.25mV對于后級電路的調理起到相當大的簡化作用，該運放有良好的帶寬增益。當把其增益設置為20db時，其帶寬可以達到100MHZ同時在80MHZ以內，增益穩(wěn)定度很穩(wěn)定，能滿足題意要求，具體的TINA的軟件仿真如下：VF123_j V2 5 f嚴,_夏忡:R Mltl觀EkV檸m TAM mot TJ UtikiK弋I $ *1盡I I _H._鈿|?起國5：_H圳利嬋H獐I朋由卜網TT II龍中戸g|iE!rtfflWi旦副SR1 1k1U1 OP A694AC|g|BT E!SlPi W5JIHICBPW8圖一OPA567的TINA仿真9圖二OPA2694的TINA仿真在TINA的軟

13、件仿真圖中，可以看出，這些參數設置完全可以滿足題目要 求。五，系統(tǒng)測試及結果分析1.測試使用的儀器設備(1) 350M數字式存儲示波器：RIGOL型號DS4034(2)高頻信號發(fā)生器：RIGOL DS52522.測試方法設置輸入有效值為10m v的電壓信號，測試通頻帶內是否平坦。設置 不同的控制電壓的值來控制增益， 讀取示波器讀取電壓的峰峰值，從而計算有效 值。3.測試數據注：V=10mv頻率增益(dB、0.3MHz10MHz30MHz50MHz0n12.1 mV12.1mV12.2 mV12.0 mV20110mV109 mV110 mV109mV401.08V1.06V1.08mV1.07

14、mV頻率增益(dB)、70MHz80MHz100MHz120MHz012.0mV11.8mV11.78 mV10.8 mV20110mV107 mV108 mV98mV401.08V1.06V983mV975mV測試結果分析:專霊Nwaw - AC ZZ京和F KEJ AfV ipiT!p!&H宜311帀嘆訊T常講咱塔原擱詞卜1H4半I幵黃I匕立wI豐孕審_世*：& |工.-3CTWHH4；F)ADIF阿TJI4P) T3 LKiw KhHR斗*I jI絞LJ：.J；J匚妙IWIIWIQTT葺込_BP一M歸口 |聶BW!H|狀伽的肚5M4100dB情況下增益起伏：0.4381;20dB情況下增

15、益起伏：0.9241;40dB情況下增益起伏：0.9721;滿足題目所設頻帶內增益起伏 20dB,輸入電壓有效值Uiw20mV Av在020dB范圍內可調。(2)最大輸出正弦波電壓有效值Uo200mV輸出信號波形無明顯失真。(3)放大器BW-3d的下限頻率fLw0.3MHz上限頻率fH20MH?并要求在1MH15MH頻帶內增益起伏w1dB(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，以較低的成本實現了題目要求。(6)電壓增益Av60dB,輸入電壓有效值Uiw1mV Av在060dB范圍內可調。(7)放大器BW-3dB勺下限頻率fLw0.3MHz上限頻率fH100MH?并在1MH80MH頻帶內增益起伏w1dB,最大輸出正弦波電壓有效值Uo1V,輸出信 號波形無明顯失真。(8)最大輸出正弦波電壓有效值Uo1V,輸出信號波形無明顯失真。2存在問題及改進措施:(1) 在實際調試時，在0.3MHZ至80MH頻帶內，OPA65增益穩(wěn)定度很好， 但是在80MH以后增益幅度有所提升,所以采用OPA269來替換OPA657增益穩(wěn) 定度很好，同時頻帶更寬，可達170MHZ輸出波形無明顯失真。(2) 在雙路運放級聯時，電流反饋放大器在增益和大信號的調理中表現更好的帶寬和失