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1、射频宽带放大器摘要本系统采用0PA847,电流型运算放大器THS3091和压控放大器VCA824 组成。系统分为四级：前级通过0PA847实现固定增益放大，并且进行阻抗匹配 和噪声抑制；中间第二、三级由压控放大器VCA824实现0.055V/V增益变化 同时加大带宽，后级由电流型运算放大器THS3091进行功率放大。放大器中的 电源控制电路，通过利用MC1403和LM324芯片和电压跟随电路产生-1到IV 的连续电压，能够稳定供给VCA824的vg端，从而达到0到60dB增益可调。 经测试，系统达到了题目所设定的基本要求和部分扩展要求。关键词：射频放大器，宽带，OPA847,VCA824, T
2、HS3091, MC1403, LM32411目录一、方案论证31. >60dB増益设计32. 放大增益可调设计33. 后级电压放大模块的选择3二、电路设计41. 前级放大电路： 42. 中间级放大电路：43. 后级放大电路54. 压控电路6三、理论分析与计算71. 增益分配计算72. 带宽计算73. 频带内增益起伏控制74. 射频放大器稳定性分析8四、系统测试91测试仪器92. 测试方案及测试条件93. 测试结果与分析9五、作品成效总结分析10六、参考资料10七、附录11一、方案论证l->60dB增益设计宽带运放实现，采用高带宽，大压摆的宽带运放实现60dB放大。山于运放 具备高
3、开环增益、高输入阻抗和低输出阻抗，所以山运放够成的放大器电路具备 较好的线性，但山于运放的高开环增益以及反馈机制的存在，运放电路频率响应 一般比较差。采用0PA847作为第一级放大，具有超低输入电压电流噪声，超高 增益积带宽。在放大十倍的情况下，0PA847具有3.9GHz的增益带宽积。2放大增益可调设计方案一：固定增益与电阻网络衰减。通过前级放大电路进行固定增益放大, 后级由电阻网络衰减，如电位器，实现060dB范围内增益可调。方案二：采用压控放大器。釆用压控放大器(VCA),其增益可由外部电压 控制，实现一定范圉内增益可调。采用VCA824,放大两倍小信号时带宽达到 710MHz,压控电压
4、范圉为5V+5V,最大增益可调为20dB对于方案一，电路简单，易于实现。到那时由于输入信号较大，在高频电路 中，电阻易产生热噪声，同时具有电容和电感特性，对信号造成干扰。综合考虑 故采用方案二，采用VCA824且釆用两级级联的方式，在增大可调范围的同时, 保证中间级有足够的带宽。3 后级电压放大模块的选择利用电流反馈放大器(THS3091)作为后级功放带动50Q的负载，THS3091 为电流反馈放大器，没有严格的增益带宽积，适合高频设计，且具有优点为输出 电流大。系统框图如下：中间级两级串联(VCA824)前级电压放大(OPA847)后级电压放大(THS3091)二、电路设计1 前级放大电路:
5、第一级选择的放大芯片为OPA847,设讣将其配置成10倍的放大倍数，用5V 电源供电，能够很好的实现降噪并拓展带宽的要求。电路图可以在TINA或者 Multisim中仿真。GNDGND2 中间级放大电路：中间级采用两级串联的VCA824,它在放大20dB的时候带宽仍可达到320Hz, 满足要求，有多种配置方式，在不同的配置方式随着最大增益的提高会有所下降， 综合考虑题U要求，将其配置为最大增益为20dB的模式，并采用两级吊联，可 以有更大的可控范围，从而满足题目要求：在060dB可调。山于高增益，直流零点温漂必须被考虑在内，故在两级之间加入抑制零点漂 移电路，以使信号放大不失真。GND3后级放
6、大电路后级采用THS3091,是电流反馈放大电路，优点在于电路带宽受增益影响 较小，可以放大的同时满足带宽要求，带宽主要受反馈电阻的影响，根据 THS3091芯片手册上的电路对其外圉电路进行设讣，考虑到系统噪声和供电， 采用5V对其供电。山于前三级放大倍数基本达到预定要求且为了使带宽达到要 求，所以该级设定较小的电压增益倍数仅为11倍。发现带宽平坦度较好，能满 足题LI的带负载能力。4 压控电路采用LM324和MC1403,组成圧控部分。LM324系列器件带有真差动输入的 四运算放大器，具有真正的差分输入。与单电源应用场合的标准运算放大器相比, 它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.
7、0伏或者高到32伏的电源 下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源， 因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。三、理论分析与计算1 增益分配计算电压反馈型运算放大器的增益和带宽之间存在一定的关系，增益越高，带宽 越窄，增益带宽积：BW-Av=C (常数)所以在设计放大器的时候，应该在增益和带宽之间折衷选择。按照题目发挥 部分的要求，信号通频带为0.3100MHz,最大电压增益Av>60dB,最小增益 带宽积为：100Mxl000=100GHz.同时题LI要求电压增益二60dB,因此本系统釆用多级压控放大实现60dB增 益可调。考虑到第二级输入大于
8、200mV时易失真，因此第一级输出信号不易过 大，故前级采用固定增益，由宽带高压摆率运放0PA847实现10倍增益(20dB)o 中间级通过压控放大器VCA824实现0.055V/V增益可调。VCA824带宽 350MHz,增益范圉030dB可调，采用两级级联，可以有更大的可控范围，增 益可调范围已达到060dB的要求。2 带宽计算Gl:20dBG2 G3.-40dB 30dBG4:ldBBi=460MHzB2=320MHzB3=195MHz系统通频带山三级放大电路共同决定。满足0.3100MHz的通频带要求。3频带内增益起伏控制经过上面的合理分配各级增益，使得各级带宽满足要求，四级级联后，1
9、 80MHz内增益起伏小于ldBo为了尽可能排除其他因素影响增益起伏，选用 OPA847作为第一级放大，根据0PA847 Datasheet提供，其增益为G=12时，带 宽高达600MHZo中间级的VCA824在一定频带内输出信号会有波动，根据 VCA824Datasheet提供，在压控电阻端控制进行频率补偿，可扩展信号频带，使 输出信号增益稳定。调节直流偏置，最终达到180MHz内增益起伏为0.9dB 左右。4射频放大器稳定性分析山于系统输入信号频率为03100MHz,信号有效值小于lmV,放大器在 工作过程中容易引入噪声。因此，本次设计前级固定增益放大电路，第一季增益 较低（10倍），减小
10、噪声对后级的影响，提高稳定性。同时，为提高高频下的电路性能稳定性，降低噪声影响，电路中所有芯片的 电源接口采用10UF与0.1UF电容滤波。另外，电路全部使用贴片式封装的芯 片、电容、电阻，并在电路板设计中将电源层、地层与信号层分开，而且十分注 意线路的走向、交互等细节，尽可能地使电路有更好的高频下工作性能。四、系统测试1 测试仪器1）数字示波器2）DDS函数信号发生器3）数字万用电表2 测试方案及测试条件1）电路仿真与级联调试运用仿真软件先对每一级电路进行仿真，调整参数，达到要求后焊接电 路,进行单级测量，包括是否达到预定增益指标,增益起伏是否满足要求等。成功后，将四级级联，整体测试，初步得
11、岀结果，再将电路进行固定， 调整布局，进行指标测量及电路参数修改，最后进行装箱测试。2）测试条件检查多次，仿真电路与硕件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查 无误，硬件电路保证无虚焊。3 测试结果与分析将各级电路级联起来，模拟电压输出至VCA824,手动调节增益。测试 最大放大倍数、带宽、噪声，测试相关参数。1宽平坦度、截止频率测试:当供电电压为±5V时，输入有效值Ui=l mV, 使得增益为55dB时，测量出输入信号频率与增益之间的关系。结果 0-80MHZ内，电路的频率特性曲线在接近80MHz时略有起伏但基本满足起 伏小于ldB的要求。另外测得下限截止频率为0.1MHz以下，上
12、限截止频率 为180MHz左右。当增益大于55dB后，电路发生明显的高频振荡，经多次 调试后仍无法消除，据推测原因是电路中的电容值未能匹配好，理论上可以 通过超前补偿解决，但由于电路板空间较小未能实现。2噪声测试:在增益大于60 dB的情况下，将输入接地，测得输出噪声较大。 原因可能为焊接的时候未能将不同电路模块很好的隔离开。3.增益特性测试:当供电电压为土 5V；输入信号频率为10 MHz,最小输入为1 mV有效值时，输出最大为峰峰值3.664 Vo当输入为20 mV有效值时，输出 最小为峰峰值20 mV。基本满足对电压增益的要求。五、作品成效总结分析根据实际测量表明，选用 0PA847,
13、VCA824, THS3091, MC1403, LM324 分别作为前级放大，中间级放大，后级放大和控制电路的电路组合，可以满足输 入lmV有效值时,增益在055dB可调，180MHz范圉内增益起伏小于ldB, 下限频率为0.1MHz,上限频率为180MHz,以及输出电压，噪声，输入输出阻 抗等性能要求。六、参考资料黃智伟.射频小信号放大器电路设计.西安：西安电子科技大学出版社，2008 钱振宇.开关电源的电磁兼容性.北京：电子工业出版社，2005康华光.电子技术基础（模拟部分）武汉：高等教育出版社，1979 OPA843芯片手册VCA824芯片手册 THS3091芯片手册LM324芯片手册MC1403芯片手册七、附录电路原理图verIF21 口l:s»riev(7Dtrr Ir、tl V«g (ZVlYCCO'O'VOn.1.(Hhr川：V-*W«VVC>啦咔 X、G IH e 4*n Ut Vwf Vwl VW AXCI4"l