射频宽带放大器 国赛一等奖

射频宽带放大器

摘要：本系统由宽带放大器OPA847、压控放大器VCA824和电流型运放OPA695构成射频宽带放大器。系统前级通过OPA847实现10倍固定增益放大，中间级由压控放大器VCA824实现0.05V/V~5V/V增益变化，后级由OPA695和继电器实现5V/V~25V/V增益变化，末级由电阻网络进行10倍衰减，达到0dB~60dB增益范围可调。由于输入信号幅度小、频率高，系统通过屏蔽盒进行处理，提高系统稳定性和抗干扰能力。经测试，系统达到了题目所设定的所有指标。

关键词：射频放大器VGA824OPA847OPA695

一、方案论证

1.≥60dB增益设计

方案一：采用三极管实现。采用开环增益低的三极管，级内反馈，避免大环反馈，容易处理，且三极管放大电路频率响应较好。

方案二：宽带运放实现。采用高带宽，大压摆率的宽带运放实现60dB放大。由于运放由于具备高开环增益、高输入阻抗和低输出阻抗，所以由运放构成的放大器电路具备更好的线性，但由于运放的高开环增益以及反馈机制的存在，运放电路的频响一般较差。

方案一采用三极管放大，具有很好的频率响应，但由于分立元件，在高频小信号传输时会引入很大噪声，造成系统不稳定。方案二虽然集成运放的频率响应较差，但集成运放具有很好的稳定性，且增益易于控制。综合考虑，本次设计采用方案二的方式实现放大增益。

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(VGA)，其增益可有外部电压控制，实现一定范围内增益步进可调。

方案一采用电阻网络衰减，电路结构简单，易于实现。但由于系统输入信号为1MHz~100MHz，在高频信号下，电阻的特性发生改变，使其具有电感和电容的性质，对信号造成很大干扰。方案二采用VGA实现增益可调，但由于运放带宽及增益限制，调节范围较小。综合考虑，本次设计采用方案一和方案二结合的方式，前级采用固定增益变化，后级由VGA控制，实现放大增益可调。

3.系统框图

通过核心方案论证，本系统由OPA847单级放大10倍，中间级通过压控放大器VCA824实现0.05倍~5倍增益控制，后级电路通过OPA695实现5倍固定增益，末级有继电器切换进行5倍增益放大和10倍电阻网络衰减。系统框图如图1所示。

图1系统框图

二、理论分析与计算

1.宽带放大器设计

通过方案论证，宽带放大器采用集成运放实现。题目发挥部分要求输入信号有效值时，输出电压有效值即峰峰值为，频率为100MHz时下降3dB，则末级运放压摆率为：

(1)

同时，题目要求电压增益，输入信号频率为100MHz，则若采用单级放大，要求运放增益带宽积为：

(2)

目前运放无法实现单级放大60dB，因此本次采用多级放大实现60dB增益可调。前级采用固定增益，由宽带高压摆率运放OPA847实现10倍增益。中间级通过压控放大器VCA824实现0.05V/V~5V/V增益可调。VCA824带宽为350MHz，增益范围0dB~40dB范围可调，可完全达到题目指标要求。后级由继电器切换，实现最终0dB~60dB范围可调。

2.频带内增益起伏控制

根据题目发挥部分要求，在1MHz~80MHz通频带内增益起伏。

本系统前级固定增益放大，根据OPA847Datasheet提供，其增益为G=12时，带宽高达600MHz，可达到题目1MHz~80MHz范围波动指标。

中间级使用压控放大器VCA824，在一定频带内输出信号会有波动。根据VCA824Datasheet提供，在压控电阻控制端进行频率补偿，可扩展信号频带，使输出信号增益稳定，达到题目指标。

后级电路使用电流反馈型运放OPA695，通频带平缓，带宽为1.7GHz可达到题目指标要求。

3.射频放大器稳定性分析

由于系统输入信号频率为1MHz~100MHz，信号有效值小于1mV，放大器在工作过程中容易引入噪声，且系统不稳定容易引起自激。因此，本次设计前级固定增益放大电路，第一级设计较低增益，放大10倍，减小噪声对系统后级影响。提高系统稳定性。同时，为减少外界电磁干扰，设计中采用屏蔽盒对系统进行抗干扰处理，进一步提高系统稳定性。

4.增益调整

系统增益调整主要由压控放大器VAC824实现。设置VCA824最大增益为5倍，通过调节压控端电压调节增益。其表达式为：

(3)

设计中，选取，则增益为，控制在-1V~1V范围内变化，可调节增益在0.05V/V~5V/V 变化。

5.放大器带宽设计

根据题目要求系统带宽下限频率，上限频率。根据系统设计中所选取器件性能均大于题目设定指标，压控放大器频带通过RC频率补偿可实现上限频率指标。

三、电路与程序设计

1.前级固定增益电路设计

通过方案论证和理论分析，系统前级电路采用宽带放大器OPA847实现20dB 增益放大。OPA847为宽带放大器，带宽为3.9GHz，压摆率为，且其放大倍数大于12时，系统增益稳定。前级输入信号有效值为，则放大20dB输出电压峰峰值为：

则所需运放压摆率为：

OPA847

G N D

7

4

G N D

图2OPA847放大电路图

2.VGA电路设计

中间级通过压控放大器VGA824实现0.05V/V~5V/V增益控制。VCA824为宽带压控放大器，10倍增益带宽为320MHz，完全达到题目100MHz带宽要求。通过调节VCA824压控端控制输出增益，实现增益可调。具体电路如图3所示。

图3VCA824压控电路图

3.后级电路设计

后级电路设计通过OPA695实现5倍增益放大，通过继电器切换电阻网络进行衰减，使整个系统实现0dB~60dB 增益范围可调。OPA695为电流反馈型运放，具有高压摆率和带宽，完全可实现有效值1V 、带宽100MHz 信号输出。具体电路如图4所示。

图4OPA695后级电路图

四、系统测试

1.测试仪器

（1）数字示波器

DPO2012B

（2）DDS 函数信号发生器EE1420（3）数字万用表U3402A

（4）线性电源

2.测试方案及测试条件

（1）放大器电压增益测试

设置信号源产生有效值为，频率为的正弦信号送入系统，系统输出端并联电阻到地作为负载。用示波器同时观察系统的输入信号和输出信号。调节系统增益控制端电位器，观测系统输出信号是否满足有效值指标。

进一步减小输入信号有效值为，频率为，示波器观测系统输出信号。继续调节增益控制电位器，观测系统输出信号有效值是否，计算系统增益是否满足0dB~60dB 范围内可调。

（2）放大器带宽测试

设置信号源产生有效值正弦信号，系统增益为60dB ，调节输入信号频率在100kHz~100MHz 范围内连续变化，观测输出信号是否有波动。在输入信号频带范围内找到输出信号幅度最大值和最小值，计算带内波动时所对应上下限频率，是否满足1MHz~80MHz 带宽。

继续扩大输入信号频率范围，找到输出信号幅值下降3dB 所对应的上下限频率，计算是否满足、。（3）输出噪声电压测试

G N D

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