射频宽带放大器的设计方案

射频宽带放大器设计报告
摘要：本系统以AD公司生产的高速可控增益运放AD8330为核心,结合固定增益放大、可变增益放大、末级差分电路等主要部分，能实现放大倍数0～50dB 增益可调。

前级放大采用一片AD8330实现可变增益放大，固定增益放大采用OPA847芯片实现10倍的固定增益放大,再经末级1片电流反馈型运放THS3001扩流,构建末级差分驱动负载。

关键词：宽带放大器高速运放 OPA847 AD8330
一、方案论证与选择
1、方案选择与比较
1.1 固定增益放大器比较
方案一：采用OPA820运放芯片作为固定增益放大，该芯片是一种高速运算放大器，在6 Hz~ 20 MHz 的通频带中可实现放大增益为43 dB, 具有带内波动小, 输出噪声低的特点。

但是缺点是通频带不够宽。

方案二：采用OPA695电压反馈型高速运算放大器,在1400MHz频率下能实现两倍放大，符合本题要求,但在高频下,该运放易产生自激。

方案三：采用OPA847, 电压反馈型高速运算放大器，最大频带宽度达
3.9GHz，完全满足本题频带要求，输入电压噪声低，带内波动小，自激现象
少。

综上所述，本设计采用方案三。

1.1.2 可变增益放大器比较
方案一：采用可编程程控放大器AD603。

该运放增益在-11～+30dB范围内可调，通过改变管脚间的连接电阻值可调节增益范围，易于控制。

但该运放增益可调带宽为90MHz，不满足题目要求。

方案二：采用高增益精度的压控VGA芯片AD8330。

该芯片可控增益带宽可达150MHz，增益可调范围0~70dB,符合本题指标要求.
因此，该电路采用方案二。

1.1.3 电压增益可调方案比较
方案一：基于单片机做步进微调。

由单片机MSP430G2553及12位DA转换芯片TLV5616对AD8330进行程控，实现增益在可取范围内可调。

但是，此设计只能步进调节，不能连续可调，此方案不可取。

方案二：基于精密电位器做连续可调。

用一个精密电位器对+5V分压后输入AD8330 5脚VDBS,从而对电压增益实现连续可调。

电路简单，节省成本。

经比较，本设计选择方案二。

2、方案描述
总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图示意图
本系统通过将用双电源供电。

前置放大电路对输入信号进行可调放大，放大0~20Db,再经THS3001的差分电路及缓冲器BUF634，提高系统带负载能力。

二、 理论分析与计算
1.增益带宽积分析
增益带宽积(GBP)为电压增益G 与通频带BW 的乘积，即GBP=G×BW。

（1）电压反馈型运放：由放大电路频率特性分析可知，无反馈和电压反馈(反馈系数为F)时电压放大倍数： )/(1h vm v f f j A A +=
，]
)1/([1)
1/(1h vm vm vm v v vf f F A f j F A A F A A A +++=
⋅+= ........ (1) 式中A vm 为通带内电压增益，f h 为无反馈时运放截止频率。

比较两式可知，存在电压反馈时，运放通带增益，通频带分别为：
)
1/(F A A A vm vm vm f ⋅+=，
h
vm hf f F A f )1(+= (2)
由(2)式可见，引入电压负反馈后，
h vm f A GBP =，增益带宽积仍为一常数。

在电压反馈型运放的使用中，要充分权衡电压增益与通频带的关系。

系统用的TI 公司提供芯片OPA847增益带宽积为3900MHz ，在系统中该运放最高增益为8，则可计算得MHz BW 10>>。

（2）电流反馈型运放：电流反馈型运放模型 如图3所示。

根据反馈理论可得以下公式：
)
//1(1/1201021
2R R R R R C j R R V V eq i o ++++=
ω .................................. (3) 且R 0<<R 1, R 0<<R 2，则通频带宽度：22/1R C f eq c π=。

上式表明电路通频带仅由反馈电阻和内部电路确定，与电路增益无关。

因而电流反馈型运放没有增益带宽积的限制。

据此，系统将电流反馈型运放THS3001
图3 电流反馈型运放模型
用于后级跟随用，带宽为420MHz ，完全满足题目带宽要求。

由上述分析可知，系统增益放大电路在10MHz 以内频带几乎无衰减。

2.有效值计算与分析
系统输出信号经峰值检波电路进行精密整流并积分后得到信号的峰值，信号输出是双极性正弦波，因此利用峰值和有效值之间的换算关系可计算出有效值：
/rms p V V (4)
p V 为输电压峰值，rms V 为输出电压有效值。

三、电路与程序设计
1、可调增益放大器电路
可控增益放大电路由高精度可控增益运放AD8330构成，该运放设计电路如
图所示：
图2 可调增益放大电路
1.CMGN 管脚接地时 VDBS 输入电压是0～1.5v ，CMGN 管脚接一个0.1电容到地，可以把vdbs 的电压提高到200mv ～1.7v(同时也将CMGN 需要的电压提高)，也可以通过外接电压0～500mv;
2.MODE 悬空或者接high,增益与电压成正比 反之则反
3.VMAG 默认电压为500mv,由内部产生，可以外接电压来改变输出幅度，使增益扩大VMAG/0.5倍，但是幅度最高为 +-4*vmag, 输出电压值为 gin*vin*vmag*2
4.dffset,信号通道中的高通滤波器,corner fre 接在地上的话,可以允许直流信号通过,可以通过使用电阻和电容的串联来避免电容过小。

在需要直流信号的时候，offset 接地
5.差分信号每个管脚的输入极限是电压的一半（VDBS为0），在VDBS增大的时候，输出峰值的极限被VMAG限制, VMAG
大于2v以后会受电源电压限制。

共模电压输出最大为电源电压的一半，输入的共模电压按0.757×Vcnrt + 1.12传输
6.输出端的共模电压可以达到电源电压的一半，也可以通过CNTR管脚来控制共模电压，这个电压可以在0～vss
7.输入差模阻抗为1k，输出差模阻抗150 ，输入阻抗的不匹配会造成噪声增加，输出阻抗的不匹配会造成增益减小
RL/(PRL+150) ，通过串联电阻来完成阻抗的匹配
8.增益控制 VDBS（0～1.5）CMGN不接 0～50db 输出信号幅度；CMGN=16mv -30db～20db；CMGN=5v，20db～70db
2、差分电路
用电流反馈型运算放大器THS3001做一个差分电路，由于前级输出共模信号对后级有影响，则用差分输入以消除共模信号，从而有足够大的输出幅度。

另外，由于前级可控增益部分是双端输入、双端输出，如果采用单端输出则增益衰减一倍，因此，采用差分电路作为可控增益输出。

图3 差分放大电路
3、缓冲器变输出阻抗
高速缓冲器BUF643做一个50Ω的输出阻抗，应题目要求输入与输出阻抗都是等于50Ω，输出级阻抗匹配,作为负载电路的前级。

图4输出电路
五、测量仪器
1、使用仪器及型号
DF1701S直流稳压电源
DS1062E-EDU 60M数字存储示波器
DS1062E-EDU 100M数字存储示波器
1012 60M数字信号源
HYelec四位半数字万用表
Hp8713B射频网络分析仪
2、测试方案与数据
（1）放大器带宽及通带内起伏测试
测试方案：输入正弦波信号均方根值为10mV，对输入信号频率进行扫描，依次测输出信号均方根值，运用60MHz双踪示波器和射频网络分析仪测试。

测试数据：按表1测试并记录数据。

表1 放大器带宽及通带内起伏测试
通过此表，由可知通频带为1MHz～15MHz内增益起伏变化小于1dB。

参考文献
[1]董尚斌(主编) 高频电子线路(第二版) 清华大学出版社
[2]余孟尝(主编) 模电电子线路基础(第三版) 高等教育出版社
[3]杨素行(主编) 模拟电子技术简明教程(第三版) 高等教育出版社
附录：
系统总电路图:。