射頻寬帶放大器的增益控制設(shè)計(jì)與研究

射頻寬帶放大器的增益控制設(shè)計(jì)與研究摘要：該系統(tǒng)是基于高頻寬帶運(yùn)放OPA695和可控增益放大器LMH6502組合而成的射頻寬帶放大器，可實(shí)現(xiàn)0～60dB連續(xù)可調(diào)。由于OPA695是一款具有超低輸入噪聲電壓信號的電流型運(yùn)放，所以將其作為前級放大。LMH6502作為第二級放大電路可通過DA控制其增益大小，變化范圍為-40～20dB。最后一級經(jīng)OPA695進(jìn)展信號的總體放大，使其總增益可到達(dá)60dB以上。調(diào)零電路使整個(gè)放大器最大程度的減小了直流偏移，并通過減小電源紋波和使用屏蔽線等方法將噪聲減小到最小。同時(shí)，放大器增益可預(yù)設(shè)，并可將增益同步顯示在LCD上。關(guān)鍵詞：射頻寬帶放大器;OPA695;LMH6502;調(diào)零電路DesignandresearchforgaincontrolofradiofrequencybroadbandamplifierXIEJun，SHENGQing?hua，MAOLi?jian〔SchoolofElectronicsInformation，HangzhouDianziUniversity，Hangzhou310018，China〕Abstract：TheRFbroadbandamplifieriscomposedofhighbandwidthoperationalamplifierOPA695andcontrollablegainamplifierLMH6502.Itcancontinuouslyadjustthegainfrom0dBto60dB.SincetheOPA695isacurrentoperationalamplifierwithultra?lowvoltage?inputnoise，itservesasapreamplifier.LMH6502，asthesecond?stageamplifier，canuseDAtocontrolthegainwhosevariationrangeis-40～20dB.ThefinalsignalisamplifiedbytheOPA695.Asaresult，thetotalgaincanreachtomorethan60dB.ZeroingcircuitreducestheDCoffsetoftheentireamplifiertothemaximumdegree，andreducesthenoisetotheminimumbyreducingthepowersupplyrippleandusingshieldedwireandothermethods.Meanwhile，theamplifier’sgaincanbepre?set，andcanbesynchronouslydisplayedonLCD.Keywords：radiofrequencybroadbandamplifier;OPA695;LMH6502;zeroingcircuit0引言隨著現(xiàn)代電子和通信技術(shù)的迅速開展，射頻寬帶放大器在通信領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，在挪動(dòng)通信，雷達(dá)通信，信息對抗等領(lǐng)域現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用。它常常用于通信設(shè)備接收機(jī)的前端，將通信設(shè)備接收到的信號進(jìn)展放大到適宜的功率然后送到傳感器進(jìn)展信號的處理和分析。在射頻領(lǐng)域，傳統(tǒng)的放大器因頻帶窄、增益低等自身特點(diǎn)，往往無法應(yīng)用。為此，這里以德州儀器公司的LMH6502和OPA695為核心，設(shè)計(jì)一種射頻寬帶放大器，可對有效值不小于1mV的交流正弦信號進(jìn)展放大，該射頻寬帶放大器的頻率為0.3～100MHz，增益可實(shí)現(xiàn)60dB范圍調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)精度高，實(shí)用性強(qiáng)，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。1方案論證與比較1.1MCU選擇1.3可調(diào)增益放大器選擇方案一：VCA822是一款直流耦合型寬頻帶壓控增益放大器，按V/V線性變換，最大工作頻帶寬度可達(dá)150MHz。放大器增益由控制電壓和外圍電阻阻值共同決定，需雙極性電壓控制〔-1～1V〕，并且容易自激。1.4DAC控制可調(diào)增益放大器調(diào)節(jié)方式2理論分析與計(jì)算2.1寬帶放大器設(shè)計(jì)2.2頻帶內(nèi)增益起伏控制造成頻帶內(nèi)增益起伏的原因很多，其中包括運(yùn)放幅頻響應(yīng)不平坦及供電電源不穩(wěn)定等。為了防止因?yàn)榉糯蟊稊?shù)過高而使起伏變大，所以我們將電路增加級數(shù)，將每一級的放大倍數(shù)變小，這樣可以滿足帶寬及增益要求且減小頻帶內(nèi)增益起伏。2.3射頻放大器穩(wěn)定性本系統(tǒng)為射頻寬帶放大器，頻率很高，并且放大倍數(shù)較大，為不影響帶寬，采用多級級聯(lián)，但是系統(tǒng)穩(wěn)定系易受影響，容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象。為了進(jìn)步放大器的穩(wěn)定性，必需要將供電電壓濾波，否那么容易混入高頻噪聲，這里們通過屏蔽盒進(jìn)一步對外界影響進(jìn)展穩(wěn)固。系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要取決于系統(tǒng)的相位裕量，所以必需要留有適當(dāng)?shù)南辔辉Ａ?。在本系統(tǒng)中，將高頻信號部分全部采用雙面板印制，并且采用銅板大面積接地，減小接地回路，電容電阻全部采用貼片封裝，減小元器件影響。3電路與程序設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)組成系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)總體框圖3.2LMH6502增益可調(diào)模塊LMH6502的直流偏向有兩部分：共模Offset和差模Offset。如圖2所示，將Vin接GND，然后在Vg上輸入一個(gè)方波〔低電壓0V，高電壓2V〕，這樣增益就會(huì)在最大和最小之間變化。差模Offset會(huì)隨著增益放大和縮小，共模Offset不變。這樣就會(huì)看到方波。調(diào)節(jié)R10可以將方波部分減小到零，調(diào)節(jié)R14可以將方波下方的直流部分減小到零。由于Offset會(huì)隨增益變化，所以這個(gè)調(diào)節(jié)方法不能將Offset完全消除，只能最大抑制。不過高頻電路中常采用AC耦合，所以小的Offset不影響電路性能。另外，需要注意的是共模電壓要正確，共模電壓超出范圍會(huì)導(dǎo)致Offset異常。4測試方案與測試結(jié)果圖2LMH6502可調(diào)增益放大器圖4.1測試方案與測量結(jié)果測試方案：輸出級加上50Ω負(fù)載，將輸入端短接，測量輸出端噪聲峰峰值，調(diào)節(jié)放大器增益，測量不同帶寬，不同增益時(shí)的放大器的幅頻響應(yīng)?！?〕通頻帶增益測量測試，如表1所示。結(jié)論：由上表可知，頻帶內(nèi)增益特性均到達(dá)要求?！?〕最大電壓增益及最大增益起伏測試，如表2所示。表2通頻帶增益起伏特性〔3〕輸出電壓噪聲測量。將增益設(shè)置為60dB，輸入端短路到地，記錄輸出端電壓峰-峰值VONPP=93mV?！?〕放大器輸入阻抗及負(fù)載的測量。電路的輸入阻抗為50.3Ω，電路的負(fù)載電阻為49.2Ω。4.2測試結(jié)果分析由測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)根本滿足題目中各項(xiàng)要求，系統(tǒng)可以完成各項(xiàng)指標(biāo)主要得益于選擇器件的準(zhǔn)確性。選擇高增益高帶寬運(yùn)放和可調(diào)高增益可衰減器件LMH6502，并且采用多種抗干擾的措施，如使用了SMA頭作為輸入級，使用屏蔽盒進(jìn)展信號屏蔽，嚴(yán)格遵循芯片廠商的布線意見。根據(jù)測試結(jié)果可知放大器的最大增益，最小輸入電壓，最大輸入電壓，最大輸出噪聲，帶負(fù)載才能等都到達(dá)了設(shè)計(jì)的要求。在進(jìn)展個(gè)別項(xiàng)測試時(shí)由于空氣中以及各種儀器中存在的噪聲比較大，所以對前級放大電路做了屏蔽。5結(jié)語本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)MSP430G2553的射頻寬帶放大器，選擇了高增益寬帶運(yùn)放OPA695和可控增益放大器LMH6502，通過單片機(jī)控制可實(shí)現(xiàn)0～60dB增益可調(diào)，并且滿足了0.3～100MHz頻率內(nèi)具有很好的平坦性。從測試結(jié)果來看，驗(yàn)證該系統(tǒng)可行性和實(shí)用性。參考文獻(xiàn)[3]全國電子設(shè)計(jì)競賽組委會(huì).全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)獲獎(jiǎng)作品選編2003[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.[4]高桔祥.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽