全国电子设计大赛武汉大学-射频宽带放大器(精)
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A(j ) A(j ) 1 A(j )B(j ) 1 T(j ) 其中，A(j ) 为开环增益函数，B(j )为反馈函数。若在某一频率osc 上，满足环路增益为 Af (j )
T(josc ) T(josc ) e jT (osc ) 1
，则 T (josc ) 1 ，即环路增益为0db时， T (osc ) Af (josc ) 此时即使输入信号为零，仍有某一频率的信号输 出，即反馈放大器出现自激。要保证反馈放大器稳定工作，必须使其远 离自激状态，这种远离程度可用相位裕量 表示，其定义式为 当
具体模块设计
具体模块设计
二、程控增益放大电路 程控增益放大电路是整个系统增益可调的主要部分，它可以实现对增益连 续可调。在设计中采用了程控增益芯片VCA824，VCA824是一款宽带，电压线 性，连续可变的电压控制增益放大器。其增益最大调节范围可以达到40db，信 号带宽可以达到420MHz。在本设计中，使用了20db的调节范围(主要是为了提 高调节的裕量) 单片机控制的12位串行D/A TLV5616来实现控制电压的直流输出 （0-1V，相应的增益为0-20db）。具体电路如下：
全国电子设计大赛 射频宽带放大器
主要内容
设计要求 方案论证与比较
系统总体设计方案
理论分析与计算 系统测试结果 总结
1. 设计要求
1．基本要求 （1）电压增益 Av ≥20dB ，输入电压，输入电压有效值 Ui ≤20m V。Av在 0～20dB 范 围内可调。 （2）最大输出正弦波 电压有效值 Uo≥200mV，输出信号波形无明显失真 。 （3）放大器 BW -3dB 的下限频率 fL ≤0.3MHz ，上限频率 fH≥20MHz ，并要求在 1MHz ～15MHz 频带内增益起伏 ≤1dB 。 （4）放大器的输入阻抗 = 50Ω，输出阻抗 = 50Ω。 2．发挥要求 （1）电压增益 Av ≥60dB ，输入电压有效值 Ui ≤1 mV 。Av在 0～60dB范围内可调。 （2）在 Av ≥60dB 时，输出端噪声电压的峰值 U ≤100m V。 oNpp （3）放大器 BW -3dB 的下限频率 的下限频率 fL ≤0.3MHz ，上限频率 fH≥100MHz ， 并要求在 1MHz ～80MHz 频带内增 益起伏≤ 1dB 。该项目要求在 Av ≥60dB （或可达 到的最高电压增益点），最大输出正弦波有效值 Uo ≥ 1V ，输出信号波形无明显失真 条件下测试。 （4）最大输出正弦波电压有效值 Uo ≥1V，输出信号波形无明显失真。 （5）其他（例如进一步提高放大器的增益、带宽等）。
1 1 ,fc 1 j 2fR f C c 2R f C c
由上式可见，电流反馈运放的增益和带宽是相互独立的， 其-3dB带宽位置仅受反馈电阻Rf的影响，因此选取合适的反 馈电阻非常重要，设计中采用的是官方推荐的电阻大小。
4.理论分析及计算
二、放大器稳定性 设反馈放大器的稳态频率响应为:
5. 系统模块设计
前级放大OPA847
5. 系统模块设计
程控放大VCA824
5. 系统模块设计
第一级放大 THS3091 继电器切换
第二级放大 THS3091
5. 系统设计之实物图
5. 系统设计 之实物图
6. 系统测试结果
1. 测试条件 • 9K~3.2GHz函数信号发生器：型号ROHDE &SCHWARZ SMBV100A • 500M数字存储示波器：型号Tektronix TDS3052C 2. 测试结果 系统测试输入输出出阻抗为50Ω， -3dB通频带 , f L 9kHz, f H 147MHz 。在9KHz~102MHz频带内增益起伏小于1dB。本系统增益调节范 围0dB~65dB之间，最大不失真输出电压有效值为1.30V。输出 噪声峰峰值最大为105mV。
7. 总结
整个系统选取宽带、低噪声器件，采用多种抗 干扰措施以及自制印制电路板，实现了射频宽带放 大器系统的基本部分和大部分发挥部分。
谢谢！
4.理论分析及计算
系统采用了电压反馈和电流反馈运算放大器。接下来就这两 种放大器的增益设置和稳定性做理论分析。 一、增益设置 1，正常工作频带内，电压反馈运放的增益和-3dB截止频率表
达式分别为：
Avf Avf
1 Avf 1 ,fc
gm fc Avf 2C c ， 即带宽增益积为常数。所以电压反馈运放 的-3dB带宽位置受增益的影响，电压增益增大时，带宽成比例下 降。在使用电压反馈运放时，要充分权衡电压增益与带宽的关系。
具体模块设计
三、后级功率放大电路 系统要求输出负载50Ω，输出电压有效值不低于1V。因此在设计中选择了 电流反馈型运放THS3091，旨在增强系统带负载的能力。THS3091带宽可以达 到180MHz，压摆率为7300V/us，最大输出电流可以达到250mA，完全满足系统 要求，实际测试当输出电压有效值大于1V时，输出波形无明显失真。具体电路 如下：
2.方案选择与论证
软件控制D/A实现
• 将输入交流信号作为高速D/A的基准电压，通过写控制字控制D/A改
变D/A电阻网络，作为运放的反馈电阻从而改变放大增益。 • 缺点：控制字和增益的关系是指数关系而不是线性关系。
利用AD835乘法器实现。
• AD835带宽250MHz，只需将DA输出的直流信号作为一个乘法输入 来实现对信号的放大或衰减。 • 缺点：AD835在通频带内不够平坦，且高频时输出噪声较大。
j 2fC c gm
gm 2 Avf C c
4.理论分析及计算
2，系统输出需要驱动50Ω 电阻，最大输出电压有效值 不小于1V,则运放输出电流不小于20mA。本方案最后一级采 用止频率表达式分别为：
Avf Avf
180 0 - T (osc ) ，显然，相位裕量越大系统越稳定。因 此，在实际设计电路中，应预有足够的相位裕量。
5. 系统模块设计
尝试过在普通电路板上焊接电路，结果发现非常容易自激， 最后决定采用PCB制作。利用Altium designer设计原理图和 PCB。比赛过程中由于时间和器材的限制，只能在实验室内部 就地取材，将铜板改做成最基本的印制电路板，由于器材限制 不能使用过孔、通孔、双层板等，对本次设计增加了一定的难 度。 PCB底层和顶层大面积铺地，降低接地总线的分布阻抗， 在每个运放的电源管脚处用0.1uF和10uF的电容并联去耦，同 时使信号尽量在同一平面甚至是同一直线上，增强系统的稳定 性，降低噪声。
采用D/A控制VCA824配合继电器实现。
• VCA824带宽420MHz，0.1dB带宽135MHz，可控增益范围-20dB20dB，配合两个继电器实现可控增益放大范围0~ 60dB。 • 控制电压与输出增益成线性关系，且VCA824的电压控制精度非常高
3.系统总体设计方案
系统以MSP430F449单片机为控制核心，硬件部分主要包括前级小信号 放大、程控增益放大、后级功率放大和继电器控制模块。软件部分主要包括 VCA824压控电压的DAC输出控制和继电器选择和切换控制以及按键和显示， 总体框图如下:
T(josc ) T(josc ) e jT (osc ) 1
，则 T (josc ) 1 ，即环路增益为0db时， T (osc ) Af (josc ) 此时即使输入信号为零，仍有某一频率的信号输 出，即反馈放大器出现自激。要保证反馈放大器稳定工作，必须使其远 离自激状态，这种远离程度可用相位裕量 表示，其定义式为 当
具体模块设计
具体模块设计
二、程控增益放大电路 程控增益放大电路是整个系统增益可调的主要部分，它可以实现对增益连 续可调。在设计中采用了程控增益芯片VCA824，VCA824是一款宽带，电压线 性，连续可变的电压控制增益放大器。其增益最大调节范围可以达到40db，信 号带宽可以达到420MHz。在本设计中，使用了20db的调节范围(主要是为了提 高调节的裕量) 单片机控制的12位串行D/A TLV5616来实现控制电压的直流输出 （0-1V，相应的增益为0-20db）。具体电路如下：
全国电子设计大赛 射频宽带放大器
主要内容
设计要求 方案论证与比较
系统总体设计方案
理论分析与计算 系统测试结果 总结
1. 设计要求
1．基本要求 （1）电压增益 Av ≥20dB ，输入电压，输入电压有效值 Ui ≤20m V。Av在 0～20dB 范 围内可调。 （2）最大输出正弦波 电压有效值 Uo≥200mV，输出信号波形无明显失真 。 （3）放大器 BW -3dB 的下限频率 fL ≤0.3MHz ，上限频率 fH≥20MHz ，并要求在 1MHz ～15MHz 频带内增益起伏 ≤1dB 。 （4）放大器的输入阻抗 = 50Ω，输出阻抗 = 50Ω。 2．发挥要求 （1）电压增益 Av ≥60dB ，输入电压有效值 Ui ≤1 mV 。Av在 0～60dB范围内可调。 （2）在 Av ≥60dB 时，输出端噪声电压的峰值 U ≤100m V。 oNpp （3）放大器 BW -3dB 的下限频率 的下限频率 fL ≤0.3MHz ，上限频率 fH≥100MHz ， 并要求在 1MHz ～80MHz 频带内增 益起伏≤ 1dB 。该项目要求在 Av ≥60dB （或可达 到的最高电压增益点），最大输出正弦波有效值 Uo ≥ 1V ，输出信号波形无明显失真 条件下测试。 （4）最大输出正弦波电压有效值 Uo ≥1V，输出信号波形无明显失真。 （5）其他（例如进一步提高放大器的增益、带宽等）。
1 1 ,fc 1 j 2fR f C c 2R f C c
由上式可见，电流反馈运放的增益和带宽是相互独立的， 其-3dB带宽位置仅受反馈电阻Rf的影响，因此选取合适的反 馈电阻非常重要，设计中采用的是官方推荐的电阻大小。
4.理论分析及计算
二、放大器稳定性 设反馈放大器的稳态频率响应为:
5. 系统模块设计
前级放大OPA847
5. 系统模块设计
程控放大VCA824
5. 系统模块设计
第一级放大 THS3091 继电器切换
第二级放大 THS3091
5. 系统设计之实物图
5. 系统设计 之实物图
6. 系统测试结果
1. 测试条件 • 9K~3.2GHz函数信号发生器：型号ROHDE &SCHWARZ SMBV100A • 500M数字存储示波器：型号Tektronix TDS3052C 2. 测试结果 系统测试输入输出出阻抗为50Ω， -3dB通频带 , f L 9kHz, f H 147MHz 。在9KHz~102MHz频带内增益起伏小于1dB。本系统增益调节范 围0dB~65dB之间，最大不失真输出电压有效值为1.30V。输出 噪声峰峰值最大为105mV。
7. 总结
整个系统选取宽带、低噪声器件，采用多种抗 干扰措施以及自制印制电路板，实现了射频宽带放 大器系统的基本部分和大部分发挥部分。
谢谢！
4.理论分析及计算
系统采用了电压反馈和电流反馈运算放大器。接下来就这两 种放大器的增益设置和稳定性做理论分析。 一、增益设置 1，正常工作频带内，电压反馈运放的增益和-3dB截止频率表
达式分别为：
Avf Avf
1 Avf 1 ,fc
gm fc Avf 2C c ， 即带宽增益积为常数。所以电压反馈运放 的-3dB带宽位置受增益的影响，电压增益增大时，带宽成比例下 降。在使用电压反馈运放时，要充分权衡电压增益与带宽的关系。
具体模块设计
三、后级功率放大电路 系统要求输出负载50Ω，输出电压有效值不低于1V。因此在设计中选择了 电流反馈型运放THS3091，旨在增强系统带负载的能力。THS3091带宽可以达 到180MHz，压摆率为7300V/us，最大输出电流可以达到250mA，完全满足系统 要求，实际测试当输出电压有效值大于1V时，输出波形无明显失真。具体电路 如下：
2.方案选择与论证
软件控制D/A实现
• 将输入交流信号作为高速D/A的基准电压，通过写控制字控制D/A改
变D/A电阻网络，作为运放的反馈电阻从而改变放大增益。 • 缺点：控制字和增益的关系是指数关系而不是线性关系。
利用AD835乘法器实现。
• AD835带宽250MHz，只需将DA输出的直流信号作为一个乘法输入 来实现对信号的放大或衰减。 • 缺点：AD835在通频带内不够平坦，且高频时输出噪声较大。
j 2fC c gm
gm 2 Avf C c
4.理论分析及计算
2，系统输出需要驱动50Ω 电阻，最大输出电压有效值 不小于1V,则运放输出电流不小于20mA。本方案最后一级采 用止频率表达式分别为：
Avf Avf
180 0 - T (osc ) ，显然，相位裕量越大系统越稳定。因 此，在实际设计电路中，应预有足够的相位裕量。
5. 系统模块设计
尝试过在普通电路板上焊接电路，结果发现非常容易自激， 最后决定采用PCB制作。利用Altium designer设计原理图和 PCB。比赛过程中由于时间和器材的限制，只能在实验室内部 就地取材，将铜板改做成最基本的印制电路板，由于器材限制 不能使用过孔、通孔、双层板等，对本次设计增加了一定的难 度。 PCB底层和顶层大面积铺地，降低接地总线的分布阻抗， 在每个运放的电源管脚处用0.1uF和10uF的电容并联去耦，同 时使信号尽量在同一平面甚至是同一直线上，增强系统的稳定 性，降低噪声。
采用D/A控制VCA824配合继电器实现。
• VCA824带宽420MHz，0.1dB带宽135MHz，可控增益范围-20dB20dB，配合两个继电器实现可控增益放大范围0~ 60dB。 • 控制电压与输出增益成线性关系，且VCA824的电压控制精度非常高
3.系统总体设计方案
系统以MSP430F449单片机为控制核心，硬件部分主要包括前级小信号 放大、程控增益放大、后级功率放大和继电器控制模块。软件部分主要包括 VCA824压控电压的DAC输出控制和继电器选择和切换控制以及按键和显示， 总体框图如下: