2013年电子设计竞赛D题射频宽带放大器(国家二等奖)

瑞萨杯2013全国大学生电子设计竞赛射频宽带放大器摘要本设计以低噪声、低功耗、的THS3001和增益可变放大器AD8330运算放大器为主控器件，放大器分别由前级放大、二级增益控制和稳压直流电源等模块。

论文根据放大器系统的特点，结合相关的电路设计理论，设计出了几本符合要求的放大器，系统整体提高电压增益，使电压增益大于dB A V 20≥，放大器dB 3-BW 的下限截止频率≤L f 0.3Z MH ,上限截至频率≥H f 20Z MH ，并要求在1Z MH ~15Z MH 频带内增益起伏dB 1≤。

关键字：THS3001 AD8330 电压增益 截止频率 增益起伏设计报告一、总体方案的选取及确定 1.1 系统方案的确定题目中要求电压增益大于dB A V 20≥，放大器dB3-BW的下限截止频率≤L f 0.3Z MH ,上限截至频率≥H f 20Z MH ，并要求在1Z MH ~15Z MH 频带内增益起伏dB 1≤。

我们从网上查到THS3001的单位增益宽带为420Z MH ，而且它的0.1dB 的平坦宽带为115Z MH ，因此我们首先采用THS3001来作为首级的电压增益，但是发挥部分要求dB A V 60≥，因此电压增益还需扩大，从手册中查到AD8330是一款DC 至150Z MH 的宽带可变增益放大器，适合要求完全低噪声、精确定义增益和适度低失真的应用，因此我们在第二级增益可控部分采用AD8330作为主控元件来控制电压放大的倍数，最后可直接驱动50欧姆的负载。

系统方案框图见图1.1。

输入 输出图 1.1 系统方案框图1.2 各级电路方案的确定 1.2.1 前置放大电路部分方案一：采用场效应管或三极管设计增益放大电路，主要利用场效应管的可变电阻区或三极管的放大区可实现电压增益放大，但是本方案采用了大量的分立元件，电路复杂，在设计本放大器的高频功率条件下，可能会造成电路的稳定性很差，而且很容易受外界噪声等的因素影响，因此未选此方案。

方案二：根据题目要求，电压增益大于dB A V 20≥，放大器dB 3-BW 的下限截止频率≤L f 0.3Z MH ,上限截至频率≥H f 20Z MH ，我们查到THS3001的单位增益宽带为420Z MH ，而且它的0.1dB 的平坦宽带为115Z MH ，非常符合我们题中的要求，因此我们采用此方案来实现第一级放大电路的增益控制。

1.2.2 电压增益控制设计方案经过前一级的放大，电压增益达不到题目的要求。

只要信号和干扰比在设定的范围内，则可以实现在电压增益控制的同时保证输出信号的信噪比满足题目要求，我们查到AD8330具有特性完全差分信号通路，也可使用单端信号，线性dB 和线性幅度增益模式、低噪声、低失真等特点，可以作为该部分的主控元件。

因此我们采用次方案来实现电压的增益控制。

前置增益放大电路 （THS3001） 二级增益可控电路 （AD8330）1.2.3 直流电源设计由于在此次实验中，需要给各级的放大器供电，需求直流电压为±5V 、±15V ，考虑到需求供电的元件多而且电压输出要求很稳，因此我们考虑使用三端式稳压管来稳定输出电压，我们查到LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，而且还具备电压可调的特点，另外，它的调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点，在输出1.2V~37V 电压范围内可调，因此在稳压直流电源模块中，我们选用LM317来作为主控元件。

原理图见图1.2。

输入输出图1.2 稳压直流电源原理图二、方案分析及改进2.1 前级放大电路我们查到THS3001具有高达/V 6500μs 的转换速率，420MHz 的-3dB 宽带和良好的带内平坦度，在110MHz 时，增益仅下降0.1dB ，查分增益误差小于0.01%，非线性失真小于-96dB 。

我们查到其经典放大电路拓扑图（见图2.1），由于其放大倍数等于()G F R /R 1+，因此可以通过需求增益以及THS3001的取值要求的可以确定电路中各元件的参数。

为了达到基本部分的要求，我们采用THS3001两级放大来实现该部分。

图2.1 THS3001放大电路在THS3001搭建的电路中，由于外界噪声以及各元件之间的干扰，使得初级放大电路不能达到要求的增益倍数，因此在设计计算过程中，使该级电路的放大倍数大于预算的倍数，使得实际焊制的电路能消除干扰引起的衰减。

另外，由于THS3001为电流反馈型放大器，因此在元件选取过程中，反馈电阻选取了推荐值。

为防止运放自激，在运放电源端放置电容来减小自激。

变压器变压整流电路滤波电路整流电路2.2 电压增益控制放大器的选取，主要考虑带宽，放大倍数等因素。

AD8330是一款可变增益放大器，它具有功耗低，带宽高，噪声低，增益可调整范围大等优点。

AD8330还有另外一个显著特点：它的带宽在整个增益范围内都是固定的，都是150MHz 。

AD8330的工作方式有差分和单端两种方式，具有线性增益和指数增益两种方法。

在我们设计的电路中，我们使用了AD8330的单端输入和单端输出的工作方式。

根据芯片资料对单端的工作方式的使用说明，我们把探测器出来的信号从其中一个输入端输入，放大器的另一个输入端通过一个电容接地。

在这里我们使用了一个0．1uF 的电容。

AD8330的输出电压范围由VMAG 控制端的电压MAG V 决定，总是在O ～2MAG V 之间，为了使AD8330输出的信号电压在远距离和近距离都比较大，不能选择VMAG 作为控制端，而且VMAG 控制端的电压要足够大．另一方面，VMAG 控制端的电压越高，AD8330的允许输入电压范围越小，否则信号会饱和，所以选取VMAG 控制端的电压要综合考虑．由于目标距离改变引起的接收信号变化范围比较大，我们选择固定MAG G ，而通过改变DBS V 调整DBS G 从而调整整个T G 。

（AD8330的放大电路原理图见图2.2）图2.2 AD8330放大电路原理图2.3 稳压直流电源在设计直流电源时，我们选用三脚稳压管来作为稳压输出的核心元件，以此减小功耗、提高效率，但是在提供电压过程中，稳压管产生的热量很难快速的发散，因此选取固定配套的散热片来进行热量扩散。

2.4 抑制零点漂移对于该放大器而言，放大电路极间采用直接耦合方式，虽然增益和工作点的状态被逐级放大了，但是最终却导致了输出级产生了较大的直流电压。

另外由于温度或电源电压变化也会引起三极管或者运放的工作点变化导致直流零点漂移更加严重。

因此，我们在设计放大器的过程中，虽然不能完全消除零漂的现象，但是我们尽量将每一级的零漂抑制降到最小。

2.5 电路的稳定性在放大电路中，由于多种原因影响便会导致输出量变化忽大忽小，严重时电路都不能正常工作，这种情况在，引入负反馈可以改变以上缺点，而且负反馈越深，闭环特性越好。

但是在级联运放放大电路中，当频率高到一定程度，便会产生附加相移，由中频带的同相变位反向，使放大电路净输入信号由中频时的减小而变位增大，放大电路就由负反馈变为正反馈。

当正反馈强到一定程度，电路便会产生自激振荡，即使输入端不加输入信号，输出端也会产生输出信号，这时，电路会失去放大作用。

在设计该放大电路时，我们采用了单级运放负反馈，保证了放大器在负反馈条件下能稳定运行。

至于自激振荡方面，我们只能将其尽量压到最小，但是很难做到完全消除。

三、电路设计3.1 前级放大电路根据1.2.1中THS3001集成运放的经典放大电路的拓扑图（见图2.1）设计电路，由于该集成运放为电流反馈型放大器，因此反馈电阻应取小点，选择F R 的阻值为1k Ω，我们选择第一级放大电路的放大倍数为2，那么根据原理式()G F R /R 1+计算得到G R 的阻值也为1k Ω，这样，理论上初级电路的放大倍数可达到两倍（增益可达到6dB ）。

为防止产生自激，在运放电源端放置100pF 的电容接地。

在正向输入端并联一个50Ω的匹配电阻来减小输出信号的失真。

（仿真电路图见附录图1） 3.2 二级增益控制电路我们采用AD8330来主控这部分电路。

3.3 稳压直流电源在设计该放大器时，用到了很多运算放大器集成芯片，都需要稳压直流电压来驱动，用到了±5V 、±15V 的驱动电压，考虑到LM317稳压芯片能在输出1.2V~37V 电压范围内可调，因此我们利用LM317设计稳压直流电源。

我们从网上查到LM317的实际应用电路原理图（见图3.1）图3.1 LM317实际应用电路原理图四、系统测试分析4.1 测试仪器20MHz函数信号发生器、示波器、万用表、自制直流稳压源4.2 测试项目及结果4.2.1 输入输出阻抗测试根据电阻分压原理，在输入源与一起之间接入一电位器，调节电位器使得输出端电压为信号源输出端的一半则此时电位器的电阻就是电路的输入或输出电阻。

通过测量，本放大器的输入电阻为50Ω，输出电阻也为50Ω。

4.2.3 第一级放大倍数测量当输入电压为10mV，频率为改变时，输出电压见表4.2。

0.3 1 3 5 7 9输入频率（MHz）301.5k 995.5k 3.084M 5.013M 6.987M 8.887M 输出频率（Hz）37.2 35.2 32 32.4 32.8 33.2 输出电压（mV）11 13 15 17 19 20输入频率（MHz）11.088M 13.31M 15.54M 17.12M 19.10M 20.42M 输出频率（Hz）32.8 35.6 40.0 48.8 64 84.2 输出电压（mV）表4.1 第二级放大电路测试表4.2.4 第二级放大倍数测量当输入电压为10mV，频率为改变时，输出电压见表4.2。

0.3 1 3 5 7 9输入频率（MHz）301.0k 999.5k 3.184M 5.053M 6.997M 8.987M 输出频率（Hz）34.4 32.4 33.6 32.8 32.4 32.8 输出电压（mV）11 13 15 17 19 20 输入频率（MHz）11.188M 13.11M 15.14M 17.42M 19.20M 20.02M 输出频率（Hz）33.2 33.6 35.2 39.2 42.8 46.4 输出电压（mV）表4.2 第二级放大电路测试表4.2.5 整体放大电路测试当输入电压为10mV，频率为改变时，输出电压见表4.3。

0.3 1 3 5 7 9输入频率（MHz）302.5k 993.5k 3.484M 5.213M 7.013M 9.034M 输出频率（Hz）130 124 116 112 120 122 输出电压（mV）11 13 15 17 19 20 输入频率（MHz）11.18M 13.21M 15.34M 17.52M 19.96M 20.12M 输出频率（Hz）126 128 139 180 176 188 输出电压（mV）表4.3 整体放大电路测试表五、总结通过设计测试，基本上能达到基础部分的要求。