程控可变增益射频宽带放大器
可变增益放大器vga原理
可变增益放大器vga原理
可变增益放大器（VGA）在无线通信的收/发信机模拟前端中起着至关重要的作用。
其原理是，通过对信号进行放大或衰减，以满足不同的信号处理需求。
VGA通常用于补偿射频模块和中频模块的增益衰减，将输出信号放大到
A/D转换器需要的幅度。
此外，VGA还通过AGC环路改变接收机的增益，调整各级信号动态范围，稳定输出信号功率。
在VGA电路中，有几个重要的性能指标，包括IIP3和THD。
由于VGA的输出信号幅度很大，因此这两个指标尤其重要。
此外，为了实现宽增益范围调节，同时保持不同增益输入功率下恒定的输出建立时间，VGA的增益与控制电压需要成dB线性关系。
VGA增益步长越小越精确，对ADC的要求也越低。
数字控制的VGA电路提供了30 dB的增益控制范围，使用7 b精确控制增益大小，具有较小的面积和功耗。
以上信息仅供参考，如有需要，建议查阅专业书籍或文献或咨询专业人士。
基于可调程控的宽带直流放大器设计
基于可调程控的宽带直流放大器设计本系统采用可控增益放大器VCA810和宽带低噪声运放OPA2846结合的方式，通过主控芯STC12C5A60S2控制D/A输出电压调整VCA810增益，并且能够有效地实现0～60dB可调增益.还加入BUF634并联模块以提高系统的带载能力，之后使用巴特沃兹无源低通滤波电路对放大器的带宽进行限制，同时滤除噪声.末级采用THS3092两路并联功率放大模块对输出功率进行放大，使整个系统输出最大有效值达到6V本系统具有带宽增益可调范围大，能够有效抑制直流零点漂移，放大器稳定性高等特性。
标签：宽带放大器；可控增益；VCA810本系统设计一个基于可调程控的宽带直流放大器，要求增益可调范围为0～60dB，信号的通频带保持在0～5MHz，最大带宽增益积为5GHz，输出电压有效值可达6V，具有通频带内增益平坦，能够抑制直流零点漂移，并且能够保持放大器的稳定性。
文章根据上述要求设计的系统主要包括四个模块：固定增益放大模块、可变增益放大模块、低通滤波器模块及功率放大模块。
1 系统总体框架如图1所示，本系统以STC12C5A60S2作为控制与运算核心，将输入信号输入到第一级放大电路进行增益放大，再经第二级放大电路滤除杂波和进行功率放大后得到符合要求的输出信号。
其中，第一级放大电路主要包含固定增益放大模块和可变增益放大模块，第二级低通滤波器模块和功率放大模块。
另外，STC12C5A60S2主要用于可变增益放大模块的程控和输出调制电压的实时显示。
为使第一级放大电路和第二级放大电路不互相影响，文章在两级电路之间加入一个缓冲级。
2 实现原理2.1 带宽增益积。
本系统信号通频带为0～5MHz，最大电压增益Av≥60dB，V，故应尽量减少使用VCA810的数量，在增益控制中，本系统采用一片VCA810可变增益放大与OPA2846固定增益放大配合，通过单片机程控输出信号放大通路实现0～60dB可调增益，OPA2846的输入偏置电压仅为0.15mV，THS3092在±5V供电时输入偏置电压仅为0.3mV，均能够很有效地抑制零点漂移。
宽带直流放大器的设计
经比较， 选择方案三。 2、可控增益放大器方案选择 方案一：DAC 控制增益。该方案从理论上讲， 只要D/A 的速度够快、精度够高就可以实现很 宽范围的精密增益调节。但是控制的数字量和 最后的增益（dB） 不成线性关系而是成指数 关系， 造成增益调节不均匀、精度下降， 且 其增益动态范围有限， 故不采用；
3、程控增益控制 AD603的基本增益公式为： Gain（dB）=40VG+10 其中，VG是差分输入电压，单位是V，Gain是 AD603的基本增益，单位是dB。 两片AD603级联，总增益公式为： G（dB）=40VG1+40VG2+20 其中第一级AD603的2脚电压为V12=0.5V，第 二级AD603的2脚电压为V22=1.5V。
宽带直流放大器
一、方案比较与论证
1、滤波电路选择方案 方案一：采用RC 滤波电路， 但RC 滤波衰减 很大； 方案二：采用LC无源滤波器。但是LC无源滤 波器含电感参数设计较复杂； 方案三： 利用高速宽带运放OPA690 设计二 阶巴特沃思滤波器， 其通频带内的频率响应 曲线最大限度平坦， 没有起伏， 而在阻频带 则逐渐下降为零。
3、线性相位 • 线性相位从系统的频率响应来看，就是要求它 的相频特性是一条直线，本系统中，AD603 与AD811均为线性性能很好的增益放大模块， 运放工作在线性状态，滤波器采用线性的无源 梯形网络实现，因此整个放大器系统的相频特 性在通频带内近似于一条直线，可保证系统设 计有较好的线性相位。
4、抑制直流零点漂移 • 由于AD603 有大约20 ～ 30 mV 的输出失调 电压(直流偏移电压) ,当两级AD603 之间采用 直接耦合方式时,前一级AD603 的输出失调电 压会被后一级AD603 所放大。当后级增益较 大时,放大后的信号直流电位会偏离零点,产生 非线性失真。由于AD603 本身没有调零控制 端,所以只能在第1 级AD603 之前再加一级直 流偏移调零电路。
程控增益低噪声宽带直流放大器的设计
程控增益低噪声宽带直流放大器的设计孙科学;卜新华;唐珂【摘要】介绍了程控增益低噪声宽带直流放大器的设计原理及流程.采用低噪声增益可程控集成运算放大器AD603和高频三极管2N2219和2N2905等器件设计了程控增益低噪声宽带直流放大器,实现了输入电压有效值小于10 mV,输出信号有效值最大可达10 V,通频带为0～8 MHz,增益可在0～50 dB之间5 dB的步进进行控制,最高增益达到53 dB,且宽带内增益起伏远小于1 dB的两级宽带直流低噪声放大器的设计.%The design philosophy and flow of low noise programmable gain wide-band DC amplifier are presented. The fabricated low noise amplifier was cascaded with low noise integrated programmable gain op-amp AD603 and high-frequency transistor 2N2219 and 2N2905 and other devices. The input voltage is less than 10 mV, the output signal is 10 V, pass band is 0～8 MHz, the maximum gain is 53 dB, and the gain in 0～50 dB, 5 dB step can be controlled by the microcontroller. In addition, fluctuation in gain and bandwidth is less than ldB of the two level wide-band low-noise DC amplifier.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2012(035)003【总页数】3页(P188-190)【关键词】低噪声;程控增益;功率放大;宽带直流放大器【作者】孙科学;卜新华;唐珂【作者单位】南京邮电大学电子科学与工程学院,江苏南京210046;石家庄邮电职业技术学院电信工程系,河北石家庄050021;南京邮电大学电子科学与工程学院,江苏南京210046【正文语种】中文【中图分类】TN722-340 引言低噪声宽带直流放大器位于接收机前端，放大微弱信号是其主要作用，对于降低噪声干扰，提高整个接收机的性能起着至关重要的作用。
增益可控射频放大器设计方案
增益可控射频放大器设计方案
要设计一个增益可控的射频放大器，可以采用以下方案：
1.选择合适的放大器架构：常见的射频放大器架构有共集、共基和共射极。
其中，共基架构通常具有较高的输入和输出阻抗匹配，适用于宽频段的应用；共射架构具有较高的增益和较低的噪声，适用于功率放大器设计。
2.选择合适的放大器器件：根据设计要求选择合适的射频晶体管或场效应管。
通常情况下，选择具有较高的增益、较低的噪声系数和适当的功率容量的器件。
3.匹配网络设计：使用合适的匹配网络来实现输入输出的阻抗匹配。
匹配网络可以提高电路的功率传输效率，减小反射损耗，并实现最优的功率增益。
4.增益控制电路设计：可以采用可变电容、电阻、电感等元件来实现增益的可调控。
通过调整这些元件的参数来控制放大器的增益。
5.稳定性分析和设计：进行稳定性分析，确保放大器在工作范围内保持稳定。
可以采取稳定性增强措施，如添加稳定性网络或者改进反馈电路。
6.射频线路设计：布局射频线路时，要尽量避免回授、干扰和串扰。
采用合适的屏蔽和分离技术，以减小射频线路的损耗和干扰。
7.仿真和测试：使用射频模拟软件进行电路仿真，验证设计的性能，并进行测试调整和优化。
以上是一般的增益可控射频放大器设计方案，具体的设计流程和细节还需要根据具体的应用环境和要求来调整。
程控增益放大器的几种通用设计方法
程控增益放大器的几种通用设计方法程控增益放大器（AGC）是一种能够自动调节增益的放大器，它能够在输入信号强弱不一的情况下保持输出信号的稳定性。
在许多无线通信系统和音频设备中，AGC都扮演着重要的角色。
本文将介绍几种常见的程控增益放大器的通用设计方法，帮助读者更好地了解和应用AGC技术。
一、基于反馈的AGC设计方法反馈是一种常见的控制方法，通过对输出信号进行采样并与输入信号进行比较，然后根据比较结果对增益进行调节。
基于反馈的AGC设计方法一般包括以下几个关键步骤：1. 采样输出信号。
通过使用信号检测器或功率检测器来对输出信号进行采样，获取其能量或功率的信息。
2. 与输入信号进行比较。
将采样得到的输出信号能量或功率与输入信号进行比较，得到它们之间的差异。
3. 根据比较结果调节增益。
根据比较结果来控制放大器的增益，使输出信号的能量或功率保持在一个稳定的水平。
基于反馈的AGC设计方法的优点是稳定性高、响应速度快，适用于大多数AGC应用场景。
这种方法也存在一些缺点，比如对反馈路径的稳定要求高、容易产生回音等问题。
与基于反馈的AGC设计方法相对应的是基于前馈的AGC设计方法。
前馈AGC的核心思想是在信号放大前通过控制环路对输入信号进行预处理，从而实现对放大器增益的控制。
基于前馈的AGC设计方法一般包括以下几个关键步骤：1. 使用可变增益放大器。
在输入信号经过放大之前，通过可变增益放大器对信号进行预处理，调节增益来实现对输入信号的控制。
2. 设置控制环路。
设计控制环路，通过对控制信号进行调制来控制可变增益放大器的增益，从而实现对输出信号的稳定控制。
3. 调节控制参数。
通过调节控制环路的一些参数，比如控制信号的幅度、频率等来控制放大器的增益。
随着数字技术的发展，越来越多的AGC设计方法开始采用数字控制的方式。
基于数字控制的AGC设计方法一般包括以下几个关键步骤：1. 数字信号处理。
将输入信号进行数字化处理，并通过一些算法对信号的能量或功率进行测量和分析。
可编程增益放大器
组合PGA
组合PGA
组合PGA一般由运算放大器、仪器放大器或隔离型放电器再加上一些其他附加电路组成。其工作原理是通过 程序调整多路转换开关接通的反馈电阻的数值，从而调整放大器的放大倍数。
针对峰值采样，采用数字检波，即通过高速A/D转换器对输出的正弦信号进行采样，判断一定时间内采集到 的数字信号的最大值，该最大值即为该信号的峰值。而这种通用数字峰值检波电路仅能在低频段效果良好，针对 系统设计要求中的高频信号，以及某些特定频率信号，将产生一定误差。采用双频数字峰检对信号进行采样，这 种方案可有效避免产生误差。
在上述两模块的基础上实现AGC的功能。峰值检波测得的电压值反馈回单片机，单片机对宽带放大电路实现 放大精确控制。通过这种方式可将输出信号的峰值稳定在4．8 V左右。
的性能参数
的性能参数
可编程增益放大器的性能参数可以根据D/A转换器的相应参数换算得到，根据MAX502的性能指标其性能参数 如下：
输入失调电压：<±1mV （未调整）
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的设计及工作
的设计及工作
以基于VCA822的可编程增益放大器为例，其设计及工作原理如下：
设计一个通过键盘设置增益，且具有AGC功能的宽带放大器。放大器输入端采用同相放大电路进行阻抗匹配，
使输入电阻达到MΩ数量级。该系统设计分为宽带放大、峰值采样、人机交互等3个模块。
宽带放大模块中电压增益可预置的功能是由VCA822实现。VCA822一款直流耦合型宽频带压控增益放大器，最 大工作频带宽度可达150 MHz。放大器增益由控制电压和外围电阻阻值共同决定。控制电压的输出是由单片机运 算并控制D/A转换器而输出的，因而能够实现较精确的数控。另外，放大器后级接入两档信号处理电路，一档增益 0 dB，另一档为衰减档，通过一个控制端口，实现信号在这两档位之间选择。这种方法的优点在于条理清晰，控制 方便，易于单片机处理。
一种增益可控高频宽带放大器的设计
• 128•随着人工智能及物联网技术的不断发展，高频宽带放大器在传输增益和功率放大等技术方面有着越来越高的要求。
本文针对宽带放大器传输增益的稳定性问题，设计了一种增益可控的高频放大模块，能够实现增益高精度可控的技术要求。
利用HMC470为主运算放大器，级联AD8009作为推挽输出后极，通过对主电路嵌入低功耗微处理器MSP430G2553单片机的方式,实现放大器的数控增益。
利用AD 软件仿真测试表明，该设计增益精确可控，稳定性较强，抗干扰能力较好，能够使用在高品质音响、民用雷达通信等场合。
1.引言随着电子、通信技术的飞速发展，增益可控制的宽带放大器发挥着越来越重要的作用（张玉钱，一种高增益宽带视频放大器设计：南京:南京理工大学，2015）。
在雷达通信、信号传输、电子测距等应用电路中，不仅要求高频放大器达到宽带的状态，还要求具有较精确的放大增益。
增益可控的宽带放大器件的发展，与集成运放在各行业的发展息息相关（杨洪文，可调节的宽带放大器在测试中的优势：国外电子测量技术，2017）。
目前，国内外对于可控的高增益宽带放大器的研究处于快速发展阶段。
何晓丰等（何晓丰，马成炎，叶甜春，王良坤，莫太山，数字控制增益可配置的射频宽带放大器：浙江大学学报(工学版)，2012）提出了一种带单端转差分功能的大动态范围的数字控制增益可配置的射频宽带放大器，用于双频段电视射频接收机的前端，提供了更高的线性度。
高瑜宏等（高瑜宏,朱平,一种高增益带宽积CMOS跨导运算放大器：微电子学，2017）设计了一种高增益可控的运算放大器，提出的多级前馈补偿结构改善了DC增益和增益带宽积，通过相位补偿的方式对放大增益进行控制。
本文使用单片机数字控制的方式，设计了一种增益可控的高频放大模块，不仅能够实现较高的直流增益，还具备增益高精度可控的技术要求。
2.放大器系统组成本设计主要由可控增益电路、单片机最小系统、电源模块组成，系统结构如图1所示。
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程控可变增益放大器参赛队员：摘要本系统由宽带放大器OPA847、压控放大器VCA810和电流型运放OPA695组成。
系统前级通过OPA847实现10倍固定增益放大，中间级由压控放大器VCA810实现0.05~5V/V增益变化，后级由OPA695和继电器实现5~25V/V增益变化，末级由电阻网络进行10倍衰减，达到0dB~60dB 增益范围可调。
系统采用屏蔽盒进行电磁屏蔽，提高稳定性和抗干扰能力。
经测试，系统达到了题目所设定的所有指标。
关键词：放大器，VCA810，OPA847 ，OPA695AbstractThe system is designed with a broadband amplifier OPA847, Voltage controlled amplifier VCA810 and current-feedback operational amplifier OPA695.In the first stage, the system can achieve 10 times fixed-gain by OPA847.Then, in the intermediate stage, it uses VCA810 to achieve 0.05 ~ 5V / V gain range. In the latter part, the system achieves 5 ~ 25V / V gain variation by OPA695 and relays. In the last stage, the system achieves 10 times attenuation by the resistor network, so that the overall gain can be adjusted in the range of 0~60dB. In order to improve the stability and anti-jamming capability, the system uses the shield case to carry electromagnetic shielding. According to the test, all the indicators of the topic have reached .Keywords：RF broadband amplifier，VCA810，OPA847，OPA695目录1、方案论证1.1、≥60dB增益设计1.2、放大增益可调设计1.3、系统框图2、理论分析与计算2.1、宽带放大器设计2.2、频带内增益起伏控制2.3、射频放大器稳定性分析2.4、增益调整2.5、放大器带宽设计3、电路与程序设计3.1、前期固定增益电路设计3.2、VCA电路设计3.3、后级电路设计4、系统测试4.1、测试仪器4.2、测试方案及测试条件4.3、测试结果及分析5、参考文献输入VCA810输出输出一、方案论证1.≥60dB增益设计方案一：采用三极管实现。
采用开环增益低的三极管，级内反馈，避免大环反馈，容易处理，且三极管放大电路频率响应较好。
方案二：宽带运放实现。
采用高带宽，大压摆率的宽带运放实现60dB放大。
由于运放由于具备高开环增益、高输入阻抗和低输出阻抗，所以由运放构成的放大器电路具备更好的线性，但由于运放的高开环增益以及反馈机制的存在，运放电路的频响一般较差。
方案一采用三极管放大，具有很好的频率响应，但由于分立元件，在高频小信号传输时会引入很大噪声，造成系统不稳定。
方案二虽然集成运放的频率响应较差，但集成运放具有很好的稳定性，且增益易于控制。
综合考虑，本次设计采用方案二的方式实现≥60dB放大增益。
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0~60dB范围内增益可调。
方案二：采用压控放大器。
采用压控放大器(VCA)，其增益可有外部电压控制，实现一定范围内增益步进可调。
方案一采用电阻网络衰减，电路结构简单，易于实现。
但由于系统输入信号为1M~100MHz，在高频信号下，电阻的特性发生改变，使其具有电感和电容的性质，对信号造成很大干扰。
方案二采用VCA实现增益可调，但由于运放带宽及增益限制，调节范围较小。
综合考虑，本次设计采用方案一和方案二结合的方式，前级采用固定增益变化，后级由VCA控制，实现放大增益可调。
3.系统框图本系统由OPA847单级放大10倍，中间级通过压控放大器VCA810实现0.05~5V/V倍增益控制，后级电路通过OPA695实现5倍固定增益，末级由继电器切换进行5倍增益放大和10倍电阻网络衰减。
系统框图如图1所示。
图1 系统框图二、理论分析与计算1.宽带放大器设计通过方案论证，宽带放大器采用集成运放实现。
题目发挥部分要求输入信号有效值U in≤1mV时，输出电压有效值U o≥1V，即峰峰值为U pp≥2.828V，频率为100MHz时下降3dB，则末级运放压摆率为：SW≥2×π×100M×2.828V=1776V/μs（1）同时，题目要求电压增益≥60dB，输入信号频率为100MHz，则若采用单级放大，要求运放增益带宽积为：GBP=1000×100M=100G（2）目前运放无法实现单级放大60dB，因此本系统采用多级放大实现60dB增益可调。
前级采用固定增益，由宽带高压摆率运放OPA847实现10倍增益。
中间级通过压控放大器VCA810实现0.05~5V/V增益可调。
VCA810带宽为350MHz，增益范围0~40dB范围可调，可完全达到题目指标要求。
后级由继电器切换，实现最终0~60dB范围可调。
2.频带内增益起伏控制本系统前级固定增益放大，根据OPA847Datasheet提供，其增益为G=12时，带宽高达600MHz，可达到题目发挥部分要求“1MHz~80MHz范围波动<1dB”的指标要求。
中间级使用压控放大器VCA810，在一定频带内输出信号会有波动。
根据VCA810Datasheet 提供，在压控电阻控制端进行频率补偿，可扩展信号频带，使输出信号增益稳定，达到题目“波动＜1dB”指标。
后级电路使用电流反馈型运放OPA695，通频带平缓，带宽为1.7GHz远远大于80MHz。
3.射频放大器稳定性分析由于系统输入信号频率为1M~100MHz，信号有效值小于1mV，放大器在工作过程中容易引入噪声，且系统不稳定容易引起自激。
因此，本次设计前级固定增益放大电路，第一级设计较低增益，放大10倍，减小噪声对系统后级影响，提高系统稳定性。
同时，为减少外界电磁干扰，设计中采用屏蔽盒对系统进行抗干扰处理，进一步提高系统稳定性。
4.增益调整系统增益调整主要由压控放大器VAC824实现。
设置VCA810最大增益为5倍，通过调节压控端电压V RF调节增益。
其表达式为：×V RF（3）G=2×R fR g如图2所示电路，选取R f=2.5R g，则增益为G=5×V RF，控制V RF在-1~1V范围内变化，可调节增益在0.05~5V/V变化。
5.放大器带宽设计根据题目要求系统带宽下限频率f L≤0.3MHz，上限频率f H≥100MHz。
设计中所选取的放大器芯片带宽均远远大于100MHz。
压控放大器频带通过RC频率补偿也实现上限频率f H≥100MHz的指标。
三、电路与程序设计1.前级固定增益电路设计通过方案论证和理论分析，系统前级电路采用宽带放大器OPA847实现20dB增益放大。
OPA847为宽带放大器，带宽为3.9GHz，压摆率为950V/μs，且其放大倍数大于12时，系统增益稳定。
前级输入信号有效值为U i=1mV，则放大20dB输出电压峰峰值为：U opp=2√2×1×100=282.8mV（4）则所需运放压摆率为：SW=2×3.14×100M×282.8mV=177V/μs（5）OPA847完全达到指标要求。
具体电路如图2所示。
图2 OPA847放大电路图2.VCA电路设计中间级通过压控放大器VCA810实现0.05~5V/V增益控制。
VCA810为宽带压控放大器，10倍增益带宽为320MHz，完全达到题目100MHz带宽要求。
通过调节VCA810压控端控制输出增益，实现增益可调。
具体电路如图3所示。
图3 VCA810压控电路图3.后级电路设计后级电路设计通过OPA695实现5倍增益放大，通过继电器切换电阻网络进行衰减，使整个系统实现0~60dB增益范围可调。
OPA695为电流反馈型运放，具有2500V/μs高压摆率和带宽，完全可实现有效值1V、带宽100MHz信号输出。
具体电路如图4所示。
图4 OPA695后级电路图四、系统测试1.测试仪器（1）数字示波器DPO2012B（2）DDS函数信号发生器EE1420（3）数字万用表U3402A（4）自制线性电源2.测试方案及测试条件（1）放大器电压增益测试设置信号源产生有效值为U i=10mV，频率为f i=15MHz的正弦信号送入系统，系统输出端并联50Ω电阻到地作为负载。
用示波器同时观察系统的输入信号和输出信号。
调节系统增益控制端电位器，观测系统输出信号是否满足有效值U o≥200mV指标。
进一步减小输入信号有效值为U i=1mV，频率为f i=80MHz，示波器观测系统输出信号。
继续调节增益控制电位器，观测系统输出信号是否满足有效值U0≥1V，计算系统增益是否满足0~60dB范围内可调。
（2）放大器BW−3dB带宽测试设置信号源产生有效值U i=1mV正弦信号，系统增益为60dB，调节输入信号频率在100k~100MHz范围内连续变化，观测输出信号是否有波动。
在输入信号频带范围内找到输出信号幅度最大值和最小值，计算带内波动≤1dB时所对应上下限频率，是否满足1M~80MHz带宽。
继续扩大输入信号频率范围，找到输出信号幅值下降3dB所对应的上下限频率，计算是否满足f L≤0.3MHz、f H≥100MHz。
（3） 输出噪声电压测试设置系统增益为60dB ，将系统输入端接地，通过示波器观测系统输出信号即输出噪声。
计算输出噪声峰峰值是否满足U oNpp ≤100mV 。
3. 测试结果及分析 （1） 放大器电压增益测试根据测试方案，通过示波器观测，放大器电压增益基本要求测试结果如表1所示，发挥部分测试结果如表2所示。
表1 电压增益基本要求测试结果表2 电压增益发挥部分测试结果通过测试结果表1可以看出系统实现了基本要求部分输入信号有效值U i ≤20mV ，输出信号有效值U o ≥200mV 指标要求，且系统可实现0~20dB 范围内增益可调。