可控射频放大器设计报告.doc

增益可控射频放大器（D题）
【参赛队编号】

增益可控射频放大器（D题）

摘要:本作品以压控增益放大器VCA821为核心，外加运放OPA847、THS3091配合，放大器的电压增益从12dB到40dB以4dB为步长设定，控制误差不大于2dB实现了输出振幅可调的增益可控放大器。系统主要由四个模块组成：前置放大电路、中间级程控放大电路、后级放大电路和电源模块。在前级放大模块中，用电压反馈型放大器OPA847进行固定增益放大，同时进行阻抗匹配和噪声抑制；中间级采用VCA821进行程控增益控制，以实现高增益、宽带宽和增益可变的平衡；后级利用反馈型放大器THS3091进行放大；电源模块完成对各级电路的供电。经检验，本方案完成了全部基本功能和部分拓展功能。

关键词：射频放大器增益可控VCA821OPA847THS3091

1设计目标
（1）放大器的电压增益Av≥40dB，输入电压有效值Vi≤20mV，其输入阻抗、输出阻抗均为50，负载电阻50，且输出电压有效值Vo≥2V，波形无明显失真；
（2）在75MHz～108MHz频率范围内增益波动不大于2dB；
（3）－3dB的通频带不窄于60MHz～130MHz，即fL≤60MHz、fH≥130MHz；
（4）实现AV增益步进控制，增益控制范围为12dB～40dB，增益控制步长为4dB，增益绝对误差不大于2dB，并能显示设定的增益值。
2系统论证与比较
2.1系统基本方案
本系统主要由前级放大模块模块、中间级程控放大模块、后级放大模块、电源模块组成，实现了增益可控的射频放大，系统框图如图一所示。

信号输出
后级放大
程控放大
信号输入

前级放大

DA转换

电源供电
液晶显示
STM32
按键

图一系统总体框图

（2）前级放大模块的论证与选择
方案一：采用TI公司提供的OPA820ID芯片，采用反相输入比例运算放大电路，提高放大倍数。
方案二：采用OPA847芯片，具有超低输入电压电流噪声，超高增益带宽积，能够有效的抑制噪声，在放大10倍的情况下，具有3.9GHZ的增益带宽积。
综合比较，由于方案一设计简单，但容易产生自激振荡，电路稳定性差。而OPA847具有0.85nv/Hz噪声电压，同时具有3.9GHZ的增益带宽积，适合高倍数的放大，更适合题目要求，故选择方案二。
（3）中间级程控放大模块的论证与选择
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0~40dB范围内增益可调。
方案二：为了易于实现增益范围0~52dB的调节，可以采用高速乘法器型D/A
实现，比如AD7420。利用D/A转换器的VRef作信号的输入端，D/A的输出端
做输出。用D/A转换器的数字量输入端控制传输衰减实现增益控制。
方案三：使用宽带程控集成放大器，利用VCA821进行程控放大，VCA821在增益为10dB时带宽可达到710MHz,控制电压在0V~2V。
方案一中由于大量分立元件的引入，使得电路复杂且稳定性差。方案二虽然简单易行，精确度高，但查阅相关资料可知：转化非线性误差大，带宽只有几kHz，而且当信号频率较高时，系统容易发生自激，因此未选此方案，方案三在增大可调范围的同时，为了保证中间级有足够大的带宽，稳定性好。
综合以上三种方案，，故选择方案三。
（4）后级放大模块的论证与选择
方案一：利用电流反馈放大电路THS3901作为后级放大带动负载，THS3901为电流反馈放大电路，没有严格的带宽增益积适合高频设计，其优点是输出电压大。
方案二：选用电流反馈型放大器OPA693作为后级放大器，是目前最快的正负5V固定增益放大器，高达700MHz的带宽。
综合考虑上述两种方案，都能满足带宽要求，但因单电源供电电路较为简单，减小放大倍数可以提高输出电压的品质，减小噪声，故采用方案一。
2系统硬件设计及相关分析计算
2.1增益带宽积的分析
带宽和增益存在一定关系：直流到由反馈回路决定得主极点Ｆｃ之间，带宽增益积恒定，在该频率以上，如果频率升高一倍增益就会降低一半，运算放大器的3db宽频率就是Fc放大器带宽增益积BW*Au=C常数，所以设计电路时进行折衷选择。题目要求通频带范围为20HZ-5MHZ,增益大于等于40dB，即Gain>=100V,故考虑多级放大器级联。
假设放大电路的高频响应用下面单极点函数表示：
带宽增益积（GBP）是衡量放大器性能的一个重要参数。电压反馈型运放
A()=/(1+/);(2--1)
式中为放大器的中频增益，w为角频率，为上限角频率，当引入正反馈并假设反馈网络的反馈系数与频率无关的实数B时，则有：
()=A()/[1+BA()];(2--2)
将式（2--1）代入