射频宽带放大器报告终版

射频宽带放大器

摘要

本系统采用OPA847，电流型运算放大器THS3091和压控放大器VCA824组成。系统分为四级：前级通过OPA847实现固定增益放大，并且进行阻抗匹配和噪声抑制；中间第二、三级由压控放大器VCA824实现0.05～5V/V增益变化同时加大带宽，后级由电流型运算放大器THS3091进行功率放大。放大器中的电源控制电路，通过利用MC1403和LM324芯片和电压跟随电路产生-1到1V 的连续电压，能够稳定供给VCA824的vg端，从而达到0到60dB增益可调。经测试，系统达到了题目所设定的基本要求和部分扩展要求。

关键词：射频放大器，宽带，OPA847，VCA824，THS3091，MC1403，LM324

目录

一、方案论证 (3)

1.≥60dB增益设计 (3)

2.放大增益可调设计 (3)

3.后级电压放大模块的选择 (3)

二、电路设计 (4)

1.前级放大电路： (4)

2.中间级放大电路： (4)

3.后级放大电路 (5)

4.压控电路 (6)

三、理论分析与计算 (7)

1.增益分配计算 (7)

2.带宽计算 (7)

3.频带内增益起伏控制 (7)

4.射频放大器稳定性分析 (8)

四、系统测试 (9)

1.测试仪器 (9)

2.测试方案及测试条件 (9)

3.测试结果与分析 (9)

五、作品成效总结分析 (10)

六、参考资料 (10)

七、附录 (11)

一、方案论证

1.≥60dB增益设计

宽带运放实现，采用高带宽，大压摆的宽带运放实现60dB放大。由于运放具备高开环增益、高输入阻抗和低输出阻抗，所以由运放够成的放大器电路具备较好的线性，但由于运放的高开环增益以及反馈机制的存在，运放电路频率响应一般比较差。采用OPA847作为第一级放大，具有超低输入电压电流噪声，超高增益积带宽。在放大十倍的情况下，OPA847具有3.9GHz的增益带宽积。

2.放大增益可调设计

方案一：固定增益与电阻网络衰减。通过前级放大电路进行固定增益放大，后级由电阻网络衰减，如电位器，实现0～60dB范围内增益可调。

方案二：采用压控放大器。采用压控放大器（VCA），其增益可由外部电压控制，实现一定范围内增益可调。采用VCA824，放大两倍小信号时带宽达到710MHz，压控电压范围为-5V~+5V，最大增益可调为20dB

对于方案一，电路简单，易于实现。到那时由于输入信号较大，在高频电路中，电阻易产生热噪声，同时具有电容和电感特性，对信号造成干扰。综合考虑故采用方案二，采用VCA824且采用两级级联的方式，在增大可调范围的同时，保证中间级有足够的带宽。

3.后级电压放大模块的选择

利用电流反馈放大器（THS3091）作为后级功放带动50Ω的负载，THS3091为电流反馈放大器，没有严格的增益带宽积，适合高频设计，且具有优点为输出电流大。

系统框图如下：

前级电压放大（OPA847）中间级两级串联

（VCA824）

后级电压放大

（THS3091）

二、电路设计

1.前级放大电路：

第一级选择的放大芯片为OPA847,设计将其配置成10倍的放大倍数，用5V 电源供电，能够很好的实现降噪并拓展带宽的要求。电路图可以在TINA或者Multisim中仿真。

2.中间级放大电路：

中间级采用两级串联的VCA824,它在放大20dB的时候带宽仍可达到320Hz，满足要求，有多种配置方式，在不同的配置方式随着最大增益的提高会有所下降，综合考虑题目要求，将其配置为最大增益为20dB的模式，并采用两级串联，可以有更大的可控范围，从而满足题目要求：在0～60dB可调。

由于高增益，直流零点温漂必须被考虑在内，故在两级之间加入抑制零点漂移电路，以使信号放大不失真。

3.后级放大电路

后级采用THS3091，是电流反馈放大电路，优点在于电路带宽受增益影响较小，可以放大的同时满足带宽要求，带宽主要受反馈电阻的影响，根据THS3091芯片手册上的电路对其外围电路进行设计，考虑到系统噪声和供电，采用5V对其供电。由于前三级放大倍数基本达到预定要求且为了使带宽达到要求，所以该级设定较小的电压增益倍数仅为1.1倍。发现带宽平坦度较好，能满足题目的带负载能力。

4.压控电路

采用LM324和MC1403,组成压控部分。LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器，具有真正的差分输入。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

三、理论分析与计算

1.增益分配计算

电压反馈型运算放大器的增益和带宽之间存在一定的关系，增益越高，带宽越窄，增益带宽积：

BW ∙Av=C （常数）

所以在设计放大器的时候，应该在增益和带宽之间折衷选择。按照题目发挥部分的要求，信号通频带为0.3～100MHz ，最大电压增益Av>60dB ，最小增益带宽积为：100M ×1000=100GHz.

同时题目要求电压增益≥60d B ，因此本系统采用多级压控放大实现60d B 增益可调。考虑到第二级输入大于200mV 时易失真，因此第一级输出信号不易过大，故前级采用固定增益，由宽带高压摆率运放OPA847实现10倍增益（20dB ）。中间级通过压控放大器VCA824实现0.05～5V/V 增益可调。VCA824带宽350MHz ，增益范围0～30dB 可调，采用两级级联，可以有更大的可控范围，增益可调范围已达到0～60dB 的要求。

2.带宽计算

B 1=460MHz B 2=320MHz B 3=195MHz

系统通频带由三级放大电路共同决定。满足0.3～100MHz 的通频带要求。

3.频带内增益起伏控制

经过上面的合理分配各级增益，使得各级带宽满足要求，四级级联后，1～80MHz 内增益起伏小于1dB 。为了尽可能排除其他因素影响增益起伏，选用OPA847作为第一级放大，根据OPA847 Datasheet 提供，其增益为G=12时，带宽高达600MHz 。中间级的VCA824在一定频带内输出信号会有波动，根据VCA824Datasheet 提供，在压控电阻端控制进行频率补偿，可扩展信号频带，使输出信号增益稳定。调节直流偏置，最终达到1～80MHz 内增益起伏为0.9dB 左右。 G1:20dB G 2 G 3: -40dB~30dB G 4:1dB