1、1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/V5V/V 增益变化，后级由OPA695 和继电器实现 5V/V25V/V 增益变化，末级由电阻网络进行 10 倍衰减，达到 0dB60dB 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
2、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2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
3、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 060dB 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 1MHz100MHz，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3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，
4、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1 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
5、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/V5V/V 增益可调。VCA824 带宽为350MHz，增益范围 0dB40dB 范围可调，可完全达到题目4指标要求。后级由继电器切换，实现最终 0dB60dB 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 1MHz80MHz 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，
6、可达到题目1MHz80MHz 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 1MHz100MHz，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，
7、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5VCA824 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-1V1V 范围内变化，可调节增益在 0.05V/V5V/V 变化。25.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
8、 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 完全达到指标要求。具体电路如图 2 所示。20dB 增益放大 R31.3kGNDR268INR150723-+6OPA8470.1F-510FGNDOUT+510F0.1FGND4 图2OPA847 放大电路图2.VGA 电路设计6中间级通过压控放大器 VGA824 实现 0.05V/V5V/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
9、 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。GND10F0.1F1+VCC2VG3+VIN4+RG5-RG6-VIN7-VCCVCA824GND+VCCNCFBGNDVOUTVREF-VCC+5141312111098-510F0.1FR71KR620OUTGNDGNDGNDINR550R850Vg+5R450GND0.1F10F-50.1F10F22pF 图 3VCA824 压控电路图33.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 0dB60dB增益范围可调。
10、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。10F10FR11430+5GNDR10751INR950423-+-56OPA6950.1F10F40.1FGND7GNDR13K151R1443023+5-+K26OPA6950.1FGND10FGND+5GNDGNDGNDR16247R1561R6OUT0.1FGNDR1251-5GND+5GNDGND 图74OPA695 后级电路图四、系统测试1.测试仪器（1）数字示波器（2）DDS 函数信号发生器（3）数字万用表（4）线性电源2.测试方案及测试条件（1）放
11、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 0dB60dB 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 100kHz100MHz 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 1MHz80MHz 带宽。8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4DPO2012BEE1420U3402A百度搜索“就爱阅读”,专业资料、生活学习,尽在就爱阅读网 ,您的在线图书馆!
