一种增益可控的射频宽带放大器设计

一种增益可控的射频宽带放大器设计

射频宽带放大器是各类电子仪器与仪表里很常用、很重要的一个單元电路。为此，论述了一款增益可控的射频宽带放大器的设计选型的过程，给出了参数的计算过程和选型是要考虑的技术指标和功能。因此结论对模拟放大电路的设计具有一定的参考价值。

标签：射频；宽带放大器；参数计算；选型要求

doi：10.19311/ki.16723198.2017.09.088

1理论计算

1.1设计要求

根据用户对高频、大信号的放大要求，课题研究小组进过分析和研究，得出下列的具体设计参数：

（1）被设计的放大器的电压增益A V≥52dB，增益可控52dB，输入信号电压的有效值Vi≤5mV，其输入阻抗、输出阻抗均为50欧姆，负载电阻50欧姆，且输出电压有效值V o≥2V，波形无明显失真；

（2）在50MHz～160MHz频率范围内增益波动不大于2dB；

（3）-3dB的通频带不窄于40MHz～200MHz，即fL≤40MHz和fH≥200MHz；

（4）电压增益A V≥52dB，当输入信号频率f≤20MHz或输入信号频率f≥270MHz时，实测电压增益A V均不大于20dB；

（5）放大器采用+12V单电源供电，所需其它电源电压自行转换。

通过对上述设计要求的分析可知，此课题对宽带放大器的参数选型提出了很高的要求，诸如：压摆率、增益带宽积、最大输出功率、高频高输出摆幅等都要进行严格的计算。只有做到科学计算，才能为正确的集成放大器选型打下坚实的基础，为后续设计提供科学保障。

1.2放大器的参数计算

（1）最小增益需要达到52dB（400倍），带宽200MHz，系统增益带宽积高达8*109MHz（*此处应注意多级放大和增益分配*）；

（2）输入电压有效值最大5mv，需要做小信号低噪声放大；

（3）输出电压有效值最小2V，所需功率放大器压摆率（SR）最小为SR=2×pi×f×Vpk=2；负载电阻50欧，所以输出功率为0.08瓦；此参数用于对功率放大器的选型设计；

（4）带限滤波器在输入信号频率小于20MHz和大于270MHz的时候，最小衰减度应该大于32dB，同时应该保证50MHz～160MHz的带内波动小于2dB。本参数用于指导对滤波器的选型设计。

2放大器的总体设计

此课题的硬件电路主要由下图所示的几个部分组成：固定增益放大器、可调增益放大器、带通滤波器和功率放大电路等组成。

其中，固定增益放大器的作用是实现高频小信号的低噪声放大，在设计时应该均衡最大增益和最小噪声系数；可调增益放大器的作用是实现增益可调，在设计时应该注意单元模块的增益可调范围，输入输出范围，增益控制的线性度以及增益带宽积。带通滤波器的作用是起到限制带宽和实现指定频率范围衰减度的作用（提高信号放大的质量）；功率放大器的作用是功率放大，输出信号幅度大，需要很高的压摆率和50欧驱动能力。

2.1射频放大器的选型

对于射频放大器的选型，一定要选集成运算放大器，原因有以下几点：

（1）集成运放的静态工作点不受增益和调谐作用的影响；

（2）集成运放不需要考虑电感元件的耦合作用；

（3）集成运放几乎没有漂移的问题存在，它的增益取决于内部稳定的无源器件。

2.2放大器反馈类型的选择

运算放大器的分为电流反馈型和电压反馈型两种。电压反馈型的特点是：由于内部有一个频率补偿电容，对增益和带宽有明显的限制；电流反馈型的特点是：在理论上对增益和带宽没有限制，但是实际上内部的寄生电容电感会限制带宽，稳定性仅由反馈电阻值决定。由于电流负反馈在射频放大电路里具有高增益带宽积和高转换速率的特点，所以我们在设计时选用TI公司的一款电流负反馈型的集成芯片：THS3021。这款芯片具有以下特点，能够很好的满足对课题设计的要求。

图2中，标为灰颜色的参数是设计时需要主要考虑的参数指标。

2.3可控增益放大器的选型

我们选用AD8367这一款芯片作为可控增益放大电路的主芯片，它的特点如图3所示。

这款芯片的主要优点是：

（1）线性度在高频时依然很好；

（2）控制电压范围较宽；

（3）增益的精确度和稳定度高。

另外需要注意的是在搭建其外围电路时，需要注意的是：增益可控范围，-3dB 带宽，输入输出电阻等，这些都是设计要求所必须要达到的指标。

2.4滤波器的选型

滤波器的选型也是相当重要的一个环节，尤其是对其类型的选择。在此，我们选择椭圆形滤波器芯片，究其原因有如下几点。

（1）椭圆滤波器相比其他类型的滤波器，在阶数相同的条件下有着最小的通带和阻带波动；

（2）椭圆滤波器相比其他类型的滤波器，在阶数相同的条件下，能获得更窄的过渡带宽；

（3）对于同样的性能要求，椭圆滤波器所需用的阶数最低，外围电路搭建更加简单；

（4）高低通滤波器可以直接级联实现带通滤波的作用。

2.5功率放大器的选型

功率放大器的选型是本课题设计的一个难点，因为此电路对它的性能要求很高。比如：

（1）高压摆率；

（2）具有高频高输出摆幅；

（3）高增益带宽积；

（4）必须是单电源供电。

综合以上技术要求，我们选择了一款MICRO DEVICES公司的芯片RF2317，它的技术特点如下图所示。它具有超高的工作带宽：0～3GHz，输入输出有内部匹配的小信号增益15dB（固定），且是单电源供电，因此完全能够满足设计的要求。

3设计结论

本文主要是对理论计算及芯片选型做出了具体的分析和研究，这是对完成整个电路的设计时一个非常重要的环节，它在很大程度上决定着设计的成败。事实证明，一个科学、合理的设计选型和参数分析、计算，是保障一款电路得以成功设计和应用的基本的、必要的条件。本文限于篇幅，不再给出具体的单元设计电路。当然，单元电路的设计不是一层不变的，但是大致都是一样的，在此还请广大读者在此基础上继续研究，并希望能够设计出更优秀、更有效、更加实用的射频放大电路。

参考文献

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[4]林凌，李刚.实用电子技术1000问[M].北京：电子工业出版社，2009.