可控增益射频放大器设计报告

可控增益射频放大器设

计报告

Coca-cola standardization office【ZZ5AB-ZZSYT-ZZ2C-ZZ682T-ZZT18】

摘要

系统采用四级放大，电源选用LM1875将单电源转换为双电源，选用

LM317、LM337和四输出变压器组成两组直流可调稳压电源，用作正负电源，选用LMH6552芯片搭建全差分放大电路，选用宽频带压控增益放大器VCA821控制增益。放大器输入5mV,100MHz时，输出电压有效值为大于2V，增益大于

52dB；50MHz-160MHz频率范围内增益波动都在2dB内；通频带在60MHz-200MHz 内。完成了所有基本部分的要求和部分发挥部分的要求。

关键词：射频放大器、VCA821、可控增益、VGA

一、系统方案论证与选择

系统主要由电源模块、放大模块、增益控制模块、最小系统模块组成。下面分别讨论这几个模块的选择。

系统电源转换选择

该系统提供+12V单电源。在放大器设计中，若采用单电源Vcc供电，则需将运放的输入端的一端电压抬高为Vcc/2，这样才能获得最大幅值，但是这样的设计方案会增加系统的复杂性，运放的工作电流会非常大，运放发热量大，使系统难以保证稳定工作。为此，该射频放大器采用双电源供电。

图 1

方案一：如图，采用两只阻值一样的大功率电阻，用电阻分压的方式获得正负电源，但是这种电路自身消耗大，阻值较大时带负载的能力又太弱。

图 2

方案三：将运放接成电压跟随器，输出电流取决于运放的负载能力。如需

图

较大的输出功率，可采用开环增益提高的功放集成块，例如TDA2030、LM1875等。这种电路简单，但性能较前面电路都好。

综上，选择方案三。该芯片价格较便宜，外围器件简单，纹波小，效率高，输出功率高，符合供电要求。

系统电源稳压方案

由于射频放大器的频率非常高，对电源的要求也十分苛刻，必须保证能提供低纹波的电源。

方案一：采用7905，7805芯片设计正直流稳压电源，此系列芯片最大输出电流，能满足系统的电源要求，但是该系列稳压芯片的输出纹波比较大。

方案二：采用LM317和LM337和四输出变压器组成两组直流可调稳压电源，用作正负电源，调压范围在之间，纹波可低于4mv，最大输出电流为，带负载能力强。可满足题目要求。

综合分析，选择方案二。

高频放大器的选择

方案一：使用分立元件搭建共基极放大器。在三极管搭建的三类放大电路中，共基极放大器电压增益大，电流增益小，输出电阻小，适合于高频工作。但由于题目要求的频率范围大，故对于放大三极管型号的选择以及电路的搭建布线等都要求较大，实行起来比较困难。

方案二：使用LMH6552芯片搭建的全差分放大电路。该芯片适用频率高，增益Av=1时，带宽可达1Ghz，带宽大，带宽内增益波动小，电路搭建布线等相对容易。VCA821是一款直流耦合型宽频带压控增益放大器，按V/V线性变换，最大工作频率宽度可达710MHz。放大器增益由控制电压决定，增益调节范围超过40dB，需单极性电压进行控制，不易产生自激。正负5V供电。有较高的输出电流和增益精确度。

综合分析，选择方案二。满足题目要求（－3dB的通频带不窄于40MHz～200MHz）。增益可控放大器在75MHz~108MHz频率范围内增益波动小，最大频率大于130MHz，满足题意（－3dB的通频带不窄于60MHz～130MHz），并且输出电流较大和增益精确度较高。

MCU的选择

方案一：选择STC89C52RC单片机

STC89C52RC以8051为内核的8位微处理器。4K程序存储器（ROM），128B 数据存储器（RAM）,5V左右供电，4组8位并行I/O口，两个定时器，外接

6~12M晶振。操作简单，价格最便宜，但51单片机内部没有ADC和DAC功能，需要外接专用芯片。增加了电路的复杂程度。

方案二：选择MSP430F169单片机

MSP430F169是16位超低功耗，具有精简指令集的混合信号微处理器。工作电压范围左右。内含有定时器A和定时器B，具有捕获，比较功能。12位ADC 和12位DAC，有较高的转换速度，能够满足大多数数据采集应用的需要。6组I/O口满足一般情况下使用。与此同时，价格相对便宜，且易于控制。

综合分析，我们组选择方案二。该单片机价格适中，操作较为简单，内含12位DAC，输出电压范围0~，可以控制射频放大器增益。

二、理论分析与参数计算

射频放大器设计

题目中要求放大器增益可控并且通频带上限截止频率至少为160MHz，增益至少为52dB，在50MHZ-160MHz范围内波动不大于2dB。因此射频放大器的选择需要宽带范围大，增益可变且线性控制的放大器，VCA821在性能上满足要求。题目要求放大器电压增益至少52dB,当输入电压为5mV是输出电压有效值至少为2V 。

即峰峰值至少为 V 放大器既要保证有很大的增益又需要宽频带，高平坦度。因此设计四级放大电路，以满足题目52dB的增益和40MHz-200MHz的通频

带以及在50MHz-160MHz范围内增益波动小于2dB的要求。

频带内增益起伏控制

造成频带内增益起伏的原因很多，其中包括运放幅频响应不平坦及供电电源不稳定等。为了防止因为放大倍数过高而使起伏变大，所以我们将电路增加

级数，将每一级的放大倍数变小，并且引入电压并联负反馈，稳定输出电压，减小输出电阻，提高带负载能力，这样可以满足带宽及增益要求且减小频带内增益起伏。

调节耦合电容容值改变容抗可以控制频带内增益起伏变化。

射频放大器稳定性

本系统为射频宽带放大器，频率很高，并且放大倍数较大，为不影响宽带，采用多级级联，但是系统稳定性容易受到影响并且容易产生自激现象。为了提高放大器的稳定性，必须要将供电电压滤波，否则容易混入高频噪声，这里我们通过屏蔽盒进一步对外界影响进行巩固。系统的稳定性主要取决于系统的相位裕量，所以必须要留有适当的相位裕量。在本系统中，将高频信号部分全部采用双面板印制，并且采用铜板大面积接地，减小接地回路，电容电阻全部采用贴片封装，减小元器件的影响。

增益调整

VCA821增益控制引脚电压在0-2V内可线性控制增益。题目要求放大器电压增益大于52dB，增益控制步长为4dB。信号通过三级放大并且在最后一级增益可控射频放大器0-40dB范围的线性控制下可以使增益达到52dB（放大倍数约398倍）且步进为4dB。

52/4=13 次 2/13≈ V

因此DAC需要步进V就可以达到要求。

三、电路与程序设计

电路设计

电源模块

按照题意要求将单电源转换为双电源，LM1875芯片将+12V转化为±10V。