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≤。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