2013D题 射频宽带放大器 全国一等奖设计方案
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经实践，我们发现 OPA657 满足带宽 100 MHz 的要求，但 4.8nV/√Hz 的输入电压噪声难 以压制，无法达到 60 dB 条件下，输出噪声峰峰值小于 100 mV 的要求，而 OPA846 具有 1.2 nV/√Hz．的输入噪声电压，OPA847 具有 0.85 nV/√Hz 噪声电压，同时增益带宽积为 3.9 GHz， 适合高倍数放大，满足题目要求。为追求更高指标，选用 OPA847，所以采用方案 2。 （2）中间程控放大级的论证与选择
由于高增益宽带放大电路，直流零点漂移是个需要考虑的问题，所以在该两级连接处加 入了抑制直流零点漂移电路，以使小信号能大倍数放大，而不失真。图 D‐1‐5 中 Rio 即为调 直流偏置电阻。图 D‐1‐5 为两级 VCA821 级联图，，电路可以在 TI 软件 TINA 中进行仿真。
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（3）末级放大电路 末级采用一级 THS3091 作为功率放大，它是电流反馈放大电路，其优点是电路带宽受增
图 D‐1‐2 方框中标明了各级的增益分配，以及计算出每级的最大通频带的上限频率。系 统通频带由三级放大电路共同决定。满足 0.3~100 MHz 的通频带要求。
（3）频带内增益起伏的控制 经过上面合理分配各级增益，使得各级带宽满足要求，四级级联后，1~80 MHz 内增益
起伏小于 1 dB。为了尽可能排除其他因素影响增益起伏，选用极低电压噪声芯片 OPA847 作 为第一级放大，并调节直流偏置。最终达到 1~100 MHz 内增益起伏为 0.9 dB 左右。
因此我们选用方案 3 中的 VCA821，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论证与选择
方案 1：利用电流反馈放大器 THS3091 作为末级功放带动 50Ω负载，THS3091 为电流反 馈放大器，没有严格的增益带宽积，比较适合高频设计，另外电流反馈放大器的优点是输出 电流大。
将各级电路级联起来，模拟电压输出至 VCA821，手动调节增益。测试最大放大倍数、 带宽、噪声，测试相关参数。
① 宽平坦度、截止频率测试：当供电电压为±5V 时，输入有wenku.baidu.com值 Ui=1 mV，增益为 60dB 时，测量出输入信号频率与增益之间的关系，列表。
② 噪声测试：在增益大于 60 dB 的情况下，将输入接地，测得输出噪声等于 130 mV 峰峰值，离题目要求存在一些差距。经过分析，可能是级与级连接时，虽采用屏蔽 线，但仍不如直接将各级画在一块板子上效果好；中间级和最后一级功率放大中， 放大器本身存在电压噪声，选择时，并未考虑得很周到，被引入电路；地线布置中，
综合考虑后，决定将电路定为四级，其中第一级主要进行阻抗匹配和噪声抑制，固定增 益放大；第二级和第三级都是程控增益控制，以实现高增益、宽带宽和增益可变的平衡；第 四级采用电流反馈放大器进行功率放大。
3
系统框图如图 D‐1‐1 所示。
（1）前级放大模块的论证与选择 方案 1：使用 OPA657 作为第一级放大，按照该芯片手册的说明，在＋7 倍增益时，OPA657
方案 2：选用电流反馈放大器 OPA695 作为末级功放，根据数据手册，OPA695 在放大 8 倍的情况下，仍然具有 450 MHz 的增益带宽，且输出电压能达到土 4.2 V。
方案 3：选用电压反馈型放大器 OPA847 放大 20 倍，OPA827 具有 3.7 GHz 的增益带宽 积，且经过计算，OPA847 完全能接 50 Ω负载，达到 1V 真有效值输出。
益的影响较小，可以在放大的同时，满足带宽要求，带宽主要受反馈电阻的影响，因此我们 根据芯片手册上的电路对其外围电路进行设计，虽然其推荐电压是 115 V，但考虑到系统的 噪声及供电，采用可行的±5V 对其供电，使 THS3091 的通频带较高。经过几次尝试，选择 增益为 10 倍（但其输入端有个 50 S}对 50n 的阻抗匹配，所以整体为放大 5 倍），带宽超出 100 MHz，且带内平坦度好，能够满足题目的带负载能力，图 D‐1‐7 为末级 THS3091 放大电 路图，，电路可以在 TI 软件 TINA 中进行仿真。
三、功能及技术指标实现方法
（1）前级放大电路 第一级的作用主要是进行阻抗匹配和噪声抑制，所以信号输入端加了 50Ω电阻接地进
行匹配，并且使用屏蔽线连接信号源，从而达到阻抗匹配和抑制噪声的作用。而电路本身又 必须具有高信噪比，并尽量减少噪声的带人，尤其是电源方面，除了采用在总电源人口端用 大电容进行滤波外，还在芯片的电源入口处加了 10μF 和 0.1μF 电容进行滤波，并且 PCB 布局及布线时，将电源和信号层布在不同层上，地线布置时，信号地也尽量远离电源地。所 以第一级需要花精力去做精做好。
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未能将信号地和电源地很好地隔离，地线产生了一定的影响。 ③ 增益特性测试：当供电电压为土 5V，输入信号频率为 10 MHz，最小输入为 1 mV
有效值时，输出最大为峰峰值 6.484 V。当输入为 20 mV 有效值时，输出最小为峰 峰值 20 mV 。
五、作品成效总结分析
根据实测数据表明，在设计中，选用 OPA847 , VCA821 和 THS30} 1 分别作为前级放大、 中间级程控和末级放大的电路组合，很好地满足了输入小于 1 mV 有效值时，增益在 0 一 60 dB 范围内连续可调，1~100 MHz 范围内增益起伏小于 1 dB，上限频率达到 140 MHz，以及 输出电压值，噪声，输入、输出阻抗等性能指标要求。
方案 3：使用宽带程控集成放大器。利用 VCA822 进行程控放大，VCA822 在增益为 10 dB 时带宽达到 150 MHz，控制电压在‐1~＋1V，需要对单片机的控制信号进行电平移动，较为 繁琐。利用 VCA820 进行程控放大，VCA820 的性能和 VCA822 相似，只是控制电压为 0~2 V。 如选用 VCA821, VCA821 与 VCA820 兼容，控制电压也一致，在放大两倍的小信号情况下，带 宽达到 710 MHz，完全满足题目要求。
方案 1：采用单级 VCA810 进行程控放大，单片机输出电压经过反向，产生‐2V~0V 的控 制电压，实现单级‐40 dB 到＋40 dB 的增益变化。但理论固定带宽只有 35 MHz，难以达到拓 展部分所有技术指标的要求。
方案 2：使用精密电位器改变放大器的反馈电阻实现增益可调，但会给电路系统带来干 扰，且在高频时，电位器产生电容效应，使得增益不够平坦。
的增益带宽积高达 1.6 GHz，是高增益带宽积，低扰动的电压反馈型放大器。在单级能够保 证带宽和精确度的情况下放大小信号，完全满足题目 100 MHz 带宽的要求。
方案 2：使用 OPA846 或 OPA847 芯片，这两种芯片性能相近，都是具有超低输入电压 电流噪声，超高增益带宽积的芯片，OPA846 在放大 10 倍的情况下，有 400 MHz 的带宽， 而 OPA847 具有 3.9 GHz 的增益带宽积，且两种芯片的输入电压噪声也极低，能有效压制噪 声。
（4）电源电路设计 直流稳压电源采用通过变压器、7815 芯片、7805 芯片，将 220 V 转换为±12V 和±5V
直流电源，给整体电路供电。
四、电路测量
（1）电路仿真与级联调试 运用电路仿真软件先对每一级电路进行软件仿真，调整参数，达到要求后焊接电路，进
行单级测量，包括是否达到预定增益指标，增益起伏是否满足要求等。 成功后，将四级级联，整体测试，初步得出结果，再将电路进行固定，调整布局，进行
电流反馈型（CFB）运算放大器的开环响应是输出电压对输入电流的响应，与电压反馈 型运放不同，电流反馈运放没有恒定的增益带宽积，随着频率的增加，它可以在较宽的频率 范围内保持高增益。但这是以牺牲反馈电阻的选择范围为代价的，当设计特定的放大倍数时， 应根据所选用芯片的数据手册中提供的数据选择特定的阻值。
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第一级选择的放大器芯片为 OPA847，设计将其配置成 8 倍的放大倍数，用±5V 电源供 电，能够很好地实现降噪并拓宽带宽的要求。图 D‐1‐3 为 OPA847 前级放大电路图，电路可 以在 TI 软件 TINA 中进行仿真。 （2）中间程控级电路
中间级采用两级串联的 VCA821，它在放大 20 dB 时的带宽仍可以达到 320 MHz，满足 题目要求，其有多种配置方式，不同的配置方式随着最大增益的提高，带宽会下降，综合考 虑题目的要求及需要，本设计将其配置为最大增益 20 dB 的模式，从而使其带宽能达到 320 MHz，并且采用两级级联，可以有更大的可控范围，从而满足题目的要求：增益在 0~60 dB 范围内可调。
通过对比实验发现，3 个方案都能满足带宽要求，但在带负载能力上，方案 1 更能有效
4
满足题目的所有要求，因此我们选用方案 1。
二、放大器增益带宽积分析
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＝常数，所以在放大器设计时，应在增益和带宽之间进行折中的选择。按 照题目发挥部分的要求，信号通频带为 0.3~100 MHz，最大电压增益 Av > 60 dB，则最小的 增益带宽积为：100 M x 1000＝100 GHz。
指标测量及电路参数修改，最后进行装箱调试。 （2）测试条件与仪器
测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误， 硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：示波器（Agilent 350 MHz )；数字万用表（Agilent 34460A )；函数发生器 （Agilent33522B）。 （3）测试结果及分析
2013 年 D 题 射频宽带放大器 全国一等奖设计方案
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以下资料摘录自“胡仁杰等.2013 江苏赛区 全国大学生电子设计竞赛优秀作品设计报告选 编[M].南京：东南大学出版社，2014.7”
设计方案一
（全国一等奖 东南大学 学生：廖振星等，指导老师：郑姚生等）
一、系统构成
根据该题的各项技术指标要求，采用宽带宽、低噪声、高增益的程控放大器是本题的重 点，也是确定方案时需要综合考虑的问题。为了满足高增益宽带宽的要求，该设计需选择高 增益带宽积的放大芯片，同时注意阻抗匹配；为了实现增益可变，需要利用增益程控芯片； 为了保证带宽内的平坦，需要选择在固定放大倍数下通频带能够保持平坦，或是多级之间的 增益频率变化特性能互补而平坦的芯片；为了满足低噪声要求，从第一级开始就需抑制噪声， 并在各级中减少噪声的带入。
六、参考资料
[1] 黄智伟．射频小信号放大器电路设计．西安：西安电子科技大学出版社，2008 [2] 钱振宇．开关电源的电磁兼容性．北京：电子工业出版社，2005 [3] 黄智伟．全国大学生电子设计竞赛训练教程．北京：电子工业出版社，2005‘ [4] 惠意欣．运算放大器—理论与设计．北京：清华大学出版社，2006 [5] 童诗白，华成英．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，2001 [6] 黄智伟．射频功率放大器电路设计．西安：西安电子科技大学出版社，2009 [7] OPA843 芯片手册 [8] VCA821 芯片手册 [9] THS3091 芯片手册
本系统采用的 OPA847 的增益带宽积是 3.9 GHz , VCA821 的带宽在小信号时为 710 MHz, 大信号时为 320 MHz，都是宽带运放，符合设计需要。 （1）增益分配的计算
题目中要求系统增益在 0}60dB 可调，带宽为 100 MHz 以上，1 mV 真有效值输入时最大 真有效值输出幅度大于 1V。由以上分析，该系统共分为四级。第一级采用 OPA847 构建同相 放大器，考虑到第二级输入大于 200 mV 易失真，因此第一级输出信号幅度不宜过大，所以 该设计的第一级放大 8 倍，获得 18.05 dB 左右的增益，第四级放大 5 倍，获得约 13.98 dB 的增益，中间两级串联程控级可调范围为‐40 dB~＋30 dB，所以系统总增益实现了 0~60dB 可调。 （2）带宽计算
由于高增益宽带放大电路，直流零点漂移是个需要考虑的问题，所以在该两级连接处加 入了抑制直流零点漂移电路，以使小信号能大倍数放大，而不失真。图 D‐1‐5 中 Rio 即为调 直流偏置电阻。图 D‐1‐5 为两级 VCA821 级联图，，电路可以在 TI 软件 TINA 中进行仿真。
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（3）末级放大电路 末级采用一级 THS3091 作为功率放大，它是电流反馈放大电路，其优点是电路带宽受增
图 D‐1‐2 方框中标明了各级的增益分配，以及计算出每级的最大通频带的上限频率。系 统通频带由三级放大电路共同决定。满足 0.3~100 MHz 的通频带要求。
（3）频带内增益起伏的控制 经过上面合理分配各级增益，使得各级带宽满足要求，四级级联后，1~80 MHz 内增益
起伏小于 1 dB。为了尽可能排除其他因素影响增益起伏，选用极低电压噪声芯片 OPA847 作 为第一级放大，并调节直流偏置。最终达到 1~100 MHz 内增益起伏为 0.9 dB 左右。
因此我们选用方案 3 中的 VCA821，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论证与选择
方案 1：利用电流反馈放大器 THS3091 作为末级功放带动 50Ω负载，THS3091 为电流反 馈放大器，没有严格的增益带宽积，比较适合高频设计，另外电流反馈放大器的优点是输出 电流大。
将各级电路级联起来，模拟电压输出至 VCA821，手动调节增益。测试最大放大倍数、 带宽、噪声，测试相关参数。
① 宽平坦度、截止频率测试：当供电电压为±5V 时，输入有wenku.baidu.com值 Ui=1 mV，增益为 60dB 时，测量出输入信号频率与增益之间的关系，列表。
② 噪声测试：在增益大于 60 dB 的情况下，将输入接地，测得输出噪声等于 130 mV 峰峰值，离题目要求存在一些差距。经过分析，可能是级与级连接时，虽采用屏蔽 线，但仍不如直接将各级画在一块板子上效果好；中间级和最后一级功率放大中， 放大器本身存在电压噪声，选择时，并未考虑得很周到，被引入电路；地线布置中，
综合考虑后，决定将电路定为四级，其中第一级主要进行阻抗匹配和噪声抑制，固定增 益放大；第二级和第三级都是程控增益控制，以实现高增益、宽带宽和增益可变的平衡；第 四级采用电流反馈放大器进行功率放大。
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系统框图如图 D‐1‐1 所示。
（1）前级放大模块的论证与选择 方案 1：使用 OPA657 作为第一级放大，按照该芯片手册的说明，在＋7 倍增益时，OPA657
方案 2：选用电流反馈放大器 OPA695 作为末级功放，根据数据手册，OPA695 在放大 8 倍的情况下，仍然具有 450 MHz 的增益带宽，且输出电压能达到土 4.2 V。
方案 3：选用电压反馈型放大器 OPA847 放大 20 倍，OPA827 具有 3.7 GHz 的增益带宽 积，且经过计算，OPA847 完全能接 50 Ω负载，达到 1V 真有效值输出。
益的影响较小，可以在放大的同时，满足带宽要求，带宽主要受反馈电阻的影响，因此我们 根据芯片手册上的电路对其外围电路进行设计，虽然其推荐电压是 115 V，但考虑到系统的 噪声及供电，采用可行的±5V 对其供电，使 THS3091 的通频带较高。经过几次尝试，选择 增益为 10 倍（但其输入端有个 50 S}对 50n 的阻抗匹配，所以整体为放大 5 倍），带宽超出 100 MHz，且带内平坦度好，能够满足题目的带负载能力，图 D‐1‐7 为末级 THS3091 放大电 路图，，电路可以在 TI 软件 TINA 中进行仿真。
三、功能及技术指标实现方法
（1）前级放大电路 第一级的作用主要是进行阻抗匹配和噪声抑制，所以信号输入端加了 50Ω电阻接地进
行匹配，并且使用屏蔽线连接信号源，从而达到阻抗匹配和抑制噪声的作用。而电路本身又 必须具有高信噪比，并尽量减少噪声的带人，尤其是电源方面，除了采用在总电源人口端用 大电容进行滤波外，还在芯片的电源入口处加了 10μF 和 0.1μF 电容进行滤波，并且 PCB 布局及布线时，将电源和信号层布在不同层上，地线布置时，信号地也尽量远离电源地。所 以第一级需要花精力去做精做好。
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未能将信号地和电源地很好地隔离，地线产生了一定的影响。 ③ 增益特性测试：当供电电压为土 5V，输入信号频率为 10 MHz，最小输入为 1 mV
有效值时，输出最大为峰峰值 6.484 V。当输入为 20 mV 有效值时，输出最小为峰 峰值 20 mV 。
五、作品成效总结分析
根据实测数据表明，在设计中，选用 OPA847 , VCA821 和 THS30} 1 分别作为前级放大、 中间级程控和末级放大的电路组合，很好地满足了输入小于 1 mV 有效值时，增益在 0 一 60 dB 范围内连续可调，1~100 MHz 范围内增益起伏小于 1 dB，上限频率达到 140 MHz，以及 输出电压值，噪声，输入、输出阻抗等性能指标要求。
方案 3：使用宽带程控集成放大器。利用 VCA822 进行程控放大，VCA822 在增益为 10 dB 时带宽达到 150 MHz，控制电压在‐1~＋1V，需要对单片机的控制信号进行电平移动，较为 繁琐。利用 VCA820 进行程控放大，VCA820 的性能和 VCA822 相似，只是控制电压为 0~2 V。 如选用 VCA821, VCA821 与 VCA820 兼容，控制电压也一致，在放大两倍的小信号情况下，带 宽达到 710 MHz，完全满足题目要求。
方案 1：采用单级 VCA810 进行程控放大，单片机输出电压经过反向，产生‐2V~0V 的控 制电压，实现单级‐40 dB 到＋40 dB 的增益变化。但理论固定带宽只有 35 MHz，难以达到拓 展部分所有技术指标的要求。
方案 2：使用精密电位器改变放大器的反馈电阻实现增益可调，但会给电路系统带来干 扰，且在高频时，电位器产生电容效应，使得增益不够平坦。
的增益带宽积高达 1.6 GHz，是高增益带宽积，低扰动的电压反馈型放大器。在单级能够保 证带宽和精确度的情况下放大小信号，完全满足题目 100 MHz 带宽的要求。
方案 2：使用 OPA846 或 OPA847 芯片，这两种芯片性能相近，都是具有超低输入电压 电流噪声，超高增益带宽积的芯片，OPA846 在放大 10 倍的情况下，有 400 MHz 的带宽， 而 OPA847 具有 3.9 GHz 的增益带宽积，且两种芯片的输入电压噪声也极低，能有效压制噪 声。
（4）电源电路设计 直流稳压电源采用通过变压器、7815 芯片、7805 芯片，将 220 V 转换为±12V 和±5V
直流电源，给整体电路供电。
四、电路测量
（1）电路仿真与级联调试 运用电路仿真软件先对每一级电路进行软件仿真，调整参数，达到要求后焊接电路，进
行单级测量，包括是否达到预定增益指标，增益起伏是否满足要求等。 成功后，将四级级联，整体测试，初步得出结果，再将电路进行固定，调整布局，进行
电流反馈型（CFB）运算放大器的开环响应是输出电压对输入电流的响应，与电压反馈 型运放不同，电流反馈运放没有恒定的增益带宽积，随着频率的增加，它可以在较宽的频率 范围内保持高增益。但这是以牺牲反馈电阻的选择范围为代价的，当设计特定的放大倍数时， 应根据所选用芯片的数据手册中提供的数据选择特定的阻值。
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第一级选择的放大器芯片为 OPA847，设计将其配置成 8 倍的放大倍数，用±5V 电源供 电，能够很好地实现降噪并拓宽带宽的要求。图 D‐1‐3 为 OPA847 前级放大电路图，电路可 以在 TI 软件 TINA 中进行仿真。 （2）中间程控级电路
中间级采用两级串联的 VCA821，它在放大 20 dB 时的带宽仍可以达到 320 MHz，满足 题目要求，其有多种配置方式，不同的配置方式随着最大增益的提高，带宽会下降，综合考 虑题目的要求及需要，本设计将其配置为最大增益 20 dB 的模式，从而使其带宽能达到 320 MHz，并且采用两级级联，可以有更大的可控范围，从而满足题目的要求：增益在 0~60 dB 范围内可调。
通过对比实验发现，3 个方案都能满足带宽要求，但在带负载能力上，方案 1 更能有效
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满足题目的所有要求，因此我们选用方案 1。
二、放大器增益带宽积分析
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＝常数，所以在放大器设计时，应在增益和带宽之间进行折中的选择。按 照题目发挥部分的要求，信号通频带为 0.3~100 MHz，最大电压增益 Av > 60 dB，则最小的 增益带宽积为：100 M x 1000＝100 GHz。
指标测量及电路参数修改，最后进行装箱调试。 （2）测试条件与仪器
测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误， 硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：示波器（Agilent 350 MHz )；数字万用表（Agilent 34460A )；函数发生器 （Agilent33522B）。 （3）测试结果及分析
2013 年 D 题 射频宽带放大器 全国一等奖设计方案
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以下资料摘录自“胡仁杰等.2013 江苏赛区 全国大学生电子设计竞赛优秀作品设计报告选 编[M].南京：东南大学出版社，2014.7”
设计方案一
（全国一等奖 东南大学 学生：廖振星等，指导老师：郑姚生等）
一、系统构成
根据该题的各项技术指标要求，采用宽带宽、低噪声、高增益的程控放大器是本题的重 点，也是确定方案时需要综合考虑的问题。为了满足高增益宽带宽的要求，该设计需选择高 增益带宽积的放大芯片，同时注意阻抗匹配；为了实现增益可变，需要利用增益程控芯片； 为了保证带宽内的平坦，需要选择在固定放大倍数下通频带能够保持平坦，或是多级之间的 增益频率变化特性能互补而平坦的芯片；为了满足低噪声要求，从第一级开始就需抑制噪声， 并在各级中减少噪声的带入。
六、参考资料
[1] 黄智伟．射频小信号放大器电路设计．西安：西安电子科技大学出版社，2008 [2] 钱振宇．开关电源的电磁兼容性．北京：电子工业出版社，2005 [3] 黄智伟．全国大学生电子设计竞赛训练教程．北京：电子工业出版社，2005‘ [4] 惠意欣．运算放大器—理论与设计．北京：清华大学出版社，2006 [5] 童诗白，华成英．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，2001 [6] 黄智伟．射频功率放大器电路设计．西安：西安电子科技大学出版社，2009 [7] OPA843 芯片手册 [8] VCA821 芯片手册 [9] THS3091 芯片手册
本系统采用的 OPA847 的增益带宽积是 3.9 GHz , VCA821 的带宽在小信号时为 710 MHz, 大信号时为 320 MHz，都是宽带运放，符合设计需要。 （1）增益分配的计算
题目中要求系统增益在 0}60dB 可调，带宽为 100 MHz 以上，1 mV 真有效值输入时最大 真有效值输出幅度大于 1V。由以上分析，该系统共分为四级。第一级采用 OPA847 构建同相 放大器，考虑到第二级输入大于 200 mV 易失真，因此第一级输出信号幅度不宜过大，所以 该设计的第一级放大 8 倍，获得 18.05 dB 左右的增益，第四级放大 5 倍，获得约 13.98 dB 的增益，中间两级串联程控级可调范围为‐40 dB~＋30 dB，所以系统总增益实现了 0~60dB 可调。 （2）带宽计算