全国电子设计大赛射频宽带放大器

全国电子设计大赛
射频宽带放大器（D题）
摘要
本设计以增益调整、带宽预置、单片机反馈调节为核心，制作一个射频宽带放大器，要求具有0.3~100MHz通频带，增益0~60dB范围内可调，并且实现输入输出阻抗、最大输出正弦波有效值、指定频带内平坦度等功能指标要求。

由于系统输入信号小，频率高，带宽要求大，可控增益范围宽，并且需要满足平坦度、输出噪声电压等指标。

为此，采用高增益带宽运放组成频带预置、AD8367的压控增益放大系统完成增益调整、单片机实现反馈调节。

除此之外，通过增加缓冲级、外加硬件保护措施有效地抑制了高频信号的噪声和自激振荡。

经测试，系统对mV
≤的输入信号实现了增益0~60dB范围内可调，带宽0.3~100MHz，并在1
1~80MHz频带内增益起伏dB
1
≤，且全程波形无明显失真。

完成了题目所要求的所有基本要求以及绝大部分发挥部分的性能指标。

关键字：带宽预置AD8367压控增益单片机
1. 系统方案设计与论证
1.1总体方案设计与论证
分析该射频宽带放大器设计的指标，为达到题目所设定带宽与增益可调，并且能够满足在输入和输出阻抗=50Ω的情况下，最大输出正弦波电压有效值达到要求的目的，我们将整个系统分为前置缓冲级、带宽预置、增益调整、输出缓冲级、峰值检波等部分组成，主控器采用STC12系列单片机。

系统整体框图如图1所示： 图1 系统框图
1.2前置缓冲级的方案论证与选择
前置缓冲电路使用电压跟随器实现，
如图2所示。

考虑到本系统的通频带为
0.3~100MHz ，且输入阻抗限定为50Ω，由
正相输入电压跟随器的输入阻抗为R j 趋
于无穷大，所以图2电路的输入阻抗为
k k k k R R R R R R R R ≈+*==j j
j n i //。

则可令实际
电路取R k =50Ω以达到输入阻抗要求。

除
此之外，此前置放大电路还具有缓冲、避
图2 前置缓冲级
免引入噪声等作用，起到了良好的隔离功能。

其电压增益接近于1，运算放大器选用AD8005，此放大器的增益带宽积达到270MHz 。

1.3带宽预置的方案论证与选择
方案一：通过对继电器L 1和L 2触点的控制实现系统通频带0.3~20MHz 和
0.3~100MHz两个范围的预置。

可令系统默认选择0.3~20MHz通频带，通过键盘选择通频带，使单片机对继电器进行操作，使系统实现了预置0.3~100MHz的通频带。

方案二：通过外部触发使单片机控制模拟开关CD4502选通指定通道，从而实现对由高增益带宽运放构成的带通网络进行预置，方案流程如图3所示。

图3 带宽预置流程图
分析两种方案可知方案一继电器连线多且复杂，体积大，触点数量有限，且工作过程中会产生噪声，影响测试总体效果。

方案二使用单片机和模拟开关控制带宽预置简单稳定，易于调整，所以选择方案二。

1.4增益调整的方案论证与选择
方案一：场效应管控制增益。

利用单片机控制场效应管工作在可变电阻区，利用其电压与电阻的线性关系来实现增益的控制。

方案二：为了易于实现增益范围0~60dB的调节，可以采用高速乘法器型D/A 实现，比如AD7420。

利用D/A 转换器的V R ef 作信号的输入端，D/A 的输出端做输出。

用D/A 转换器的数字量输入端控制传输衰减实现增益控制。

方案三：可变增益放大器AD8367级联。

题目要求0~60dB可调增益，而 AD8367的可调范围-2.5dB ~ +42.5dB，具有500M的增益带宽积。

可采用两片AD8367级联作为增益放大级并且通过单片机反馈的峰值检测结果对已进行小倍数放大的信
号进行再次放大或衰减以实现Av在0~60dB范围内可调。

方案一中由于大量分立元件的引入，使得电路复杂且稳定性差。

方案二虽然简单易行，精确度高，但查阅相关资料可知：转化非线性误差大，带宽只有几kHz，而且当信号频率较高时，系统容易发生自激，因此未选此方案。

方案三采用了可变增益放大器AD8367，具有以dB为单位的线性增益的特点，并且以单片机作为控制可以满足题目要求0~60dB可调，方案方便、稳定，可操作性强，所以采用方案三。

1.5峰值检波的方案论证与选择
方案一：采用集成真有效值变换芯片，直接输出被测信号的真有效值,例如AD637，将输出的有效值送至单片机进行对增益的反馈调整。

方案二：考虑到本题要求测量的是标准正弦波，可采用峰值检波电路，检出峰值经A/D转换后由单片机转换为有效值后对增益进行调整。

经过分析，由于一般的有效值检波的芯片难以达到100MHz的宽带，无法满足设计要求。

而方案二经过高频采样保持电路后可以达到检波要求，并且精度较高，速度较快，所以采用方案二。

2.系统理论分析与计算
2.1宽带放大器设计的理论分析与计算
基本部分要求放大器的下限频率f L≤0.3MHz，上限频率f H≥20MHz，为此我们选择用两片低噪声、高速放大器AD8021分别构成的高低通环节级联构成通频带为0.3MHz~20MHz的带通滤波器。

其中AD8021具有高速、低噪声、从G=-1至G=-10之间具有恒定带宽490M定制补偿功能，且考虑到之后增益调整环节为主要放大镜，所以该电路完全符合基础部分0.3MHz~20MHz的带宽要求。

同理，为满足发挥部分下限频率f L≤0.3MHz，上限频率f H≥100MHz的带宽要求，采用AD8021和OPA846分别作为高低通环节级联成带通滤波器。

其中OPA846是一款低噪声、电压反馈运算放大器，其具有的400MHz高增益带宽积可满足发挥部分0.3MHz~100MHz 带宽要求。

2.2频带内增益起伏控制的理论分析与计算
题目中要求通频带内增益起伏≤1dB，因此本设计的频带预置部分采用巴特沃斯滤波器，巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线实现最大限度平坦，没有起伏。

虽然在阻频带内会缓慢下降为零，通过增加滤波器阶数加快阻带内的衰减，并且将输出波形峰值检波的结果模拟量送至STC12系列单片机自带的A/D，再利用外部D/A转换实现单片机对频带内增益起伏的递增、递减控制以实现增益起伏≤1dB。

2.3射频放大器稳定性的理论分析与计算
由于放大器的输入频率过高，将在小信号放大过程产生高频杂波，由于多级放大器级联，容易产生高频自激振荡，且随着频率的升高，增益将被衰减。

为此，可以通过以下方式来改善该射频放大器的稳定性：
（1）放大器板上所有运放电源线及数字信号线均加磁珠和电容滤波。

磁珠
可滤除电流上的高频毛刺，电容滤除较低频率的干扰，它们配合在一起可较好地滤除电路上的串扰。

安装时尽量靠近IC电源和地。

（2）在两个焊接板之间传递模拟信号时用同轴电缆，信号输入输出使用SMA-BNC接头，使传输阻抗匹配，并可减少空间电磁波对本电路的干扰，同时避免放大器自激。

（3）由于采用多级放大器级联的方式，为了减少高频自激和消振困难，在相邻的放大器之间加入电压跟随器作隔离；同时，为了消除内阻引起的寄生震荡，可在运放电源端就近接去耦电容。

（4）设计电路电压增益在通频带内波动较明显，通过对各级放大电路进行频率补偿，在电源端增加去耦0.1uF和100uF电容，电容电阻的引线部分要尽可能的短，并且采用屏蔽盒对系统进行多点屏蔽，可有效增加放大器的稳定性。

2.4增益调整的理论分析与计算
AD8367具有45dB增益可调，3dB带宽达到500MHz，片上集成有律方根检波器，可实现单片闭环AGC。

片上带有可控制线性增益的高性能45dB可变增益放大器．并可在任意低频到500 MHz的频率范围内稳定工作。

通过控制MODE引脚外接地端，
选择GAIN DOWN工作模式，即增益随电压递减，满足公式Gain(dB)=45-50⨯Vgain。

通过数字电位器控制5引脚GAIN端工作电压Vgain处于0~1V，则可控制单片增益调整范围-5~45dB。

为实现0~60dB范围可调，需采用两级AD8367级联，且由于放大器的三阶交调失真点是固定的，信号幅度越大，则失真的可能性就越大，所以采用其中一级作为固定增益放大级放在后面，前一级AD8367作为电压控制增益放大级。

3．电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1前置缓冲级、带宽预置
AD8005具有270M的增益带宽积，以此设计电压跟随器作为输入缓冲级具有避免引入噪声等作用，起到了良好的隔离功能；由具有高速、低噪声、高增益带宽特点的运放AD8021和OPA846构成的带通滤波器可分别满足0.3~20MHz和0.3~100MHz的带宽要求。

并且通过单片机控制模拟开关CD4052在这两种带宽模式进行切换选择。

图4为该部分原理图部分。

图4前置缓冲级、带宽预置原理图
3.1.2增益调整
采用两片AD8367级联作为增益放大级，当MODE接地时，增益随电压递减，其计算公式为：Gain(dB)=45—50⨯Vgain，该工作模式在AGC应用中是需要的，其中通过数字电位器X9C103控制Vgain。

并且通过单片机反馈的峰值检测结果对已进行小倍数放大的信号进行再次放大或衰减以实现Av在0~60dB范围内可调。

图5为
增益调整电路原理图。

图5 增益调整电路原理图
3.1.3峰值检波
本放大器系统的输入频率高，频带要求宽，而一般峰值检波电路的线性差，通频带窄，保持时间短，不便于精确测量。

为此，我们采用由高精度采样保持器PKD01 构成峰值保持器，具有通频带宽、线性好、峰值保持精度高等优点，电路原理图如图6所示。

图6 PKD0l的峰值保持及时序控制电路
3.2程序设计
3.2.1系统程序框图
系统程序流程图如图5所示。

程序设计主要实现步进调整、带宽预
置和增益放大的切换以及对通频带内
平坦度进行反馈调整。

AD转换电路对
峰值检波后的输出信号进行采样，将
结果送入单片机进行操作，实现对相
应部分的反馈调整。

4.测试方案与测试结果
4.1测试条件与仪器
为测量50 的输入和输出阻抗，采用多功能数字万用表VC9205；
为得到有效值≤1mV的输入高频小信号，采用高频信号发生器AS1053；
该系统最大通频带达到0.3~100MHz，为此我们选择双踪示波器SS-7810 100M。

4.2测试方案与测试结果完整性
（1）放大器电压增益测试
设置输入信号频率为500kHz,输入信号以信号峰峰值为单位。

输出信号以示波器的输出电压峰峰值为标准，计算出交流增益，增益预置以倍数表示，括号中换算为dB，表1为主要测试数据。

放大器预置带宽20MHz，输入有效值为20mV，频率0.3~20MHz的电压信号，测试通频带内是否平坦。

表2带宽20M时的通频带平坦度测试结果。

同理，通过预置带宽100MHz，输入有效值为1mV，频率0.3~100MHz的电压信号来测试该通频带内的平坦度，表3为其测试结果。

此时增益为20dB 88.1920
2.197lg =，起伏大小0.12dB dB 1≤；由表3可知放大器在1~80MHz 频带平坦，同理计算最大起伏为0.1dB ，增益起伏dB 1≤，所以均满足题目要求。

（3）最大输出电压正弦波有效值的测试。

在输入端V in 加入频率为600KHz 的正弦波，调节输入电压有效值（限制V in ≤1 mV ），测得输出最大不失真正弦波有效值V o =1.57V ，满足基本部分V o ≥200mV 和发挥部分V o ≥1V 的要求。

（4）输出噪声电压测量。

增益调到60dB 档，将输入端短路，测量输出电压峰-峰值。

观测到输出端噪声电压的峰-峰值在25mV ~34mV 之间波动，可满足发挥部分要求的V ONPP ≤100mV 的要求。

4.3 测试结果分析
测试结果表明该系统完成了题目要求的所有基本部分，并实现了绝大多数发挥部分的性能指标。

并且在硬件方面，通过加入缓冲级，使用BNC 接头，外部增加屏蔽壳等措施有效地抑制了高频信号对电路连接网络的影响，使系统的性能得到很大的改善。

由于存在时间紧迫、对高频信号处理知识稍显不足等因素，一些发挥部分的指标未能完成，但是该系统仍然满足了赛题要的求的所有基本部分和绝大多数发挥部分功能指标。

参考文献
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