全國電子設(shè)計競賽設(shè)計報告(射頻可控放大器)

1、2021全國電子設(shè)計競賽設(shè)計報告(射頻可控放大器) 2021年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽論文 【本科組】 增益可控射頻放大器設(shè)計報告 2021年8月15日 - 1 - 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(shè)計能實現(xiàn)對百兆信號的放大以及程控增益步進(jìn)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(jīng)過后級放大20dB到達(dá)有效值大于2v的輸出，并且后級使用增益帶寬積到達(dá)的OPA657，可以實現(xiàn)通頻帶大于70M的要求。本系統(tǒng)還配備STC90C5

2、16單片機控制增益變化以及鍵盤和顯示模塊。經(jīng)驗證，本系統(tǒng)根本實現(xiàn)了題目的要求。 關(guān)鍵字：VCA824 DAC0832 電壓反應(yīng)放大器射頻寬帶放大增益步進(jìn) - 2 - 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(guān)選擇器來選擇所需放大倍數(shù)對應(yīng)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到達(dá)要求，而多路選擇器使電路復(fù)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(yīng)管或三極管控制增益。主要利用場效應(yīng)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(fù)雜，

3、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(jìn)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。 綜上比擬，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：采用電壓反應(yīng)放大器OPA698。由于該放大器的增益帶寬積為450MHz，根本能滿足要求，本錢低。但由于本系統(tǒng)設(shè)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：采用電流反應(yīng)放大器OPA691，OPA2694，特別是OPA2694的電壓壓擺率高達(dá)4300V/us，在增益

4、和大信號的調(diào)理中表現(xiàn)更好的帶寬和失真度，但是輸入失調(diào)電流比擬高，題目要求的2dB增益起伏難以實現(xiàn)。 方案三：采用電壓反應(yīng)放大器OPA657,該放大器的增益帶寬積高達(dá)，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)碾妷悍磻?yīng)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(diào)試，用PCB電路板有益于電路調(diào)試。 綜上比擬，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(diào)整 系統(tǒng)的增益調(diào)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VREFf

5、選用5v直流源，那么DAC0832 VOUT?VREF?(輸入的數(shù)字量256 的輸出電壓: VOUT?RF?VG?VIN?(RF?RF)?VINGG1VCA824的輸出電壓 ： 式子中的RF、RG和R1均為VCA824外接電阻，其中VIN為輸入信號，VG為控制該芯片增益變化的電壓。 經(jīng)過理論計算，根本能實現(xiàn)本系統(tǒng)所需的-8dB到20dB的變化要求。放大器增益帶寬積 運算放大器增益和帶寬存在一定的關(guān)系。當(dāng)放大倍數(shù)增大，那么對應(yīng)的帶寬會 - 3 - 變窄，帶寬增益積BW·u A =常數(shù) 放大電路的高頻響應(yīng)： (2-1) 式中Am為放大器的中頻增益，?為角頻率，?H 為上限角頻率。當(dāng)引入負(fù)

6、反應(yīng)并假設(shè)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)系數(shù)是與頻率無關(guān)的實數(shù)B時，那么有 Af(j?)?Am/(1?j?/?H) Af(j?)?A(j?)/(1?BA(j?) (2-2) 將式(2-1)代入式(2-2)得 Af(j?)?Am/(1?AmB) 1?j?/(1?AmB)?H) (2-3) 由此可知，反應(yīng)中頻增益為Amf?Am/(1?AmB)，上限角頻率?Hf變?yōu)??Hf?H(1?AmB) (2-4) 這說明引入負(fù)反應(yīng)以后，放大電路的上限頻率擴展了，擴展程度與反應(yīng)深度F有關(guān)。 對本系統(tǒng)直流寬帶放大器，放大器下限角頻率為零赫茲，所以無反應(yīng)時放大器的通頻帶BW?fH，引入負(fù)反應(yīng)后放大器通頻帶擴展到無反應(yīng)時的 (1?A

7、mB)倍。而且有 Amf?BWf?Am?(1?AmB)?BW?Am?BW?常數(shù)(1?AmB) 本系統(tǒng)選用的OPA657，其增益帶寬積高達(dá)，能滿足通頻帶的要求。但依然需要考慮運放的擺率，驅(qū)動負(fù)載能力以及放大信號的質(zhì)量等因素。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防止高頻增益下降，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(yán)格分開，并且模擬地和數(shù)字地接于一點。頻帶內(nèi)增益起伏控制 本系統(tǒng)后級固定增益放大，根據(jù)OPA657芯片手冊提

8、供，其增益為10倍時，帶寬高達(dá)160MHz，可到達(dá)題目發(fā)揮局部要求“60MHz130MHz范圍波動的指標(biāo)要求。 - 4 - 前級級使用壓控放大器VCA824，在一定頻帶內(nèi)輸出信號會有波動。根據(jù)VCA824D芯片手冊提供，在壓控電阻控制端進(jìn)行頻率補償，可擴展信號頻帶，使輸出信號增益穩(wěn)定，到達(dá)題目“波動2dB指標(biāo)。 電路與程序設(shè)計電路的設(shè)計 經(jīng)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(diào)整模塊：采用DAC0832和VCA824 后級放大模塊：采用OPA657電壓反應(yīng)放大器 顯示模塊：采用液晶屏LCD1602 鍵盤

9、模塊：采用兩個單點鍵 系統(tǒng)的總體框圖如下圖： 圖 3.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。具體電路如下圖 - 5 - 圖 3.1.2 DAC0832控制模塊 我們采用單片機控制管腳上下電平變化來使DAC0832的輸出電壓發(fā)生變化，進(jìn)而控制VCA824的增益變化，具體電路如下圖：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Av40dB，另一方面為了防止放大倍數(shù)過大而自激，引入干擾。末級放大電路應(yīng)盡可能小但又必須到達(dá)要求。為了電路

10、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(dá)，即使后級放大20dB，帶寬仍滿足要求。具體電路如下圖： - 6 - 圖 四、測試方案與測試結(jié)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(diào)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(jīng)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(jié)果 測試數(shù)據(jù) 注：V=20mv - 7 -步進(jìn)增益測試 測試結(jié)果分析： - 8 -測試結(jié)果分析 由

11、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(yù)設(shè)的要求。 五、結(jié)論與系統(tǒng)改良措施 1作品到達(dá)了題目所有根本和發(fā)揮局部的局部功能及指標(biāo)的要求： 1電壓增益Av20dB，輸入電壓有效值Ui20mV。Av在1240dB范圍內(nèi)可調(diào)。 2最大輸出正弦波電壓有效值Uo200mV，輸出信號波形無明顯失真。 3放大器BW-3dB的下限頻率fL60MHz，上限頻率fH130MHz，并要求在60M到130M頻帶內(nèi)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(shè)計多使用集成芯片，以較低的本錢實現(xiàn)了題目要求。 6電壓增益Av40dB，輸入電壓有效值Ui2mV。Av在1240dB范圍內(nèi)可調(diào)。 本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性能良好，根本到