(2013全国一等奖)射频宽带放大器

2013年全国大学生电子设计大赛论文

【本科组】

射频宽带放大器系统设计报告

2013年9月7日

射频宽带放大器

摘要： 本系统基于压控对数放大器设计，由前级放大模块，增益控制模块，（带宽预置），后级功率放大模块，键盘及显示模块组成。具有射频宽带数字程控功能。在前级放大中，用电压反馈型放大器OPA657,OPA2694和宽带压控放大器VCA820放大输入信号，输出放大一定倍数的电压，经后级OPA2694的放大电路达到大于1V的有效值输出，其中电流反馈型放大器OPA657的输入偏置电流比较小，对后级电路的调理起到简化作用，VCA820的使用方便了增益控制，可以手动和程控。经验证，本方案完成了全部基本功能和扩展功能。

关键词：压控对数放大器 电压反馈放大器 射频宽带放大

一、 系统方案论证

1. 可控增益放大器的方案论证 方案一：采用场效应管或三极管控制增益。主要利用场效应管可变电阻区（或三极管等效为压控电阻）实现增益控制，由于题目要求的频带较高。该方案采用大量分立元件，电路复杂，稳定性差。

方案二：采用多路选择器来来改变放大器跨接的电阻的值实现增益控制。该方案需求每一级放大器都要加多路选择器，不能实现连续调节，影响高频的频率特性，容易引起放大器的自激。

方案三：根据题目对放大电路增益可控的要求，考虑直接选取可调增益的运放实现（如VCA820）。其特点是以db为单位进行调节，可控增益±20dB,可以用单片机方便的预制增益。

综合比较，基于电路集成度高，条理清晰，控制方便，易于数字化单片机处理的考虑，选择方案三。

2. 射频宽带放大器选择的方案论证

方案一：采用电压反馈放大器OPA846、OPA847、OPA657等电压放大器，该系列的运算放大器的增益带宽积很高，但该系列的去补偿的电压反馈放大器由于寄生电容过大会引起放大器的震荡，而手工焊接的板子不能够保证寄生电容很小，难于调试，用PCB电路板有益于电路调试。

方案二：采用电流反馈放大器OPA691，OPA2694，特别是OPA2694的电压压摆率高达4300V/us，在增益和大信号的调理中表现更好的带宽和失真度，但是输入失调电流比较高，题目要求的1db增益起伏难以实现。

综合比较，基于带宽和失真度的考虑，选择方案一中低失调电流的OPA657。

二、 理论分析与计算

1. 放大器带宽增益积

（1）电压反馈型（VFB）运算放大器的增益和带宽存在一定的关系：从对应的波特图上可以看出，从直流到由反馈环路的主极点决定的截止频率Fc之间，增益是恒定不变的，在该频率以上，如果频率升高一倍，增益就会减半。运算放大器的-3dB带宽就是Fc，增益越高，带宽越窄，带宽增益积BW·u A =常数，

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u A为放大器放大的倍数。所以电路设计时应在放大器的带宽和增益之间进行折衷选择。

假设放大电路的高频响应用下面的单极点函数表示

Af(j)Am/(1j/H) (2-1)

式中Am为放大器的中频增益，为角频率，H 为上限角频率。当引入负反馈并假设反馈网络的反馈系数是与频率无关的实数B时，则有

Af(j)A(j)/(1BA(j)) (2-2)

将式(2-1)代入式(2-2)得

Af(j)

由此可知，反馈中频增益为

Am/(1AmB)1j/((1AmB)H) (2-3)

AmfAm/(1AmB)，上限角频率

Hf变为

HfH(1AmB) (2-4)

这说明引入负反馈以后，放大电路的上限频率扩展了，扩展程度与反馈深度F有关。

对本系统直流宽带放大器，放大器下限角频率为零赫兹，所以无反馈时放大器的通频带BWfH，引入负反馈后放大器通频带扩展到无反馈时的 (1AmB)倍。而且有

AmfBWfAm(1AmB)BWAmBW常数(1AmB)

（2）电流反馈型(CFB)运算放大器:在电流反馈运放中，开环响应是输出电

压对输入电流的响应。因此，与电压反馈运放不同，电流反馈运放输入和输出之间的关系不是用增益表示，一般是用跨阻来表示，因此电流反馈运放也被称为跨阻放大器。电流反馈运放的跨阻在500kΩ～1MΩ之间。

与电压反馈运放不同，电流反馈运放没有恒定的增益带宽积。也就是说，当增益随着频率增加而降低时，降低的规律就不是增益衰减一半，带宽扩展一倍的了。电流反馈运放可以在较宽的增益范围内保持高带宽，但这是以反馈阻抗的选择有限制为代价的。例如，其中一个限制就是电流反馈运放的反馈环路中不允许有大电容，因为电容会使高频下的反馈阻抗降低，从而导致振荡。由于同样原因，杂散电容也必须控制在运放的反相输入端周围。

本系统中使用的OPA657带宽增益积分别为1.6GHz。当然，改善系统幅频特性不仅仅考虑带宽增益积就足够的，还有其他因数的考虑，如运放的摆率、驱动负载的能力和小信号放大后的输出信号质量等。

2. 放大器稳定性分析 （1）放大器板上所有运放电源线级数字信号线均加磁珠和电容滤波，磁珠可

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滤除电流上的毛刺，电容滤除较低频率的干扰，它们配合在一起可较好地滤除电路上的串扰。安装时尽量靠近IC电源和地。

（2）所有信号耦合用点解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频增益下降。 （3）在两个焊接板之间传递模拟信号时用同轴电缆，信号输入输出使用SMA-BNC接头以使传输阻抗匹配，并可减少空间电磁波对本电路的干扰，同时避免放大器自激。

（4）数字电路部分和模拟电路部分的电源严格分开，同时数字地和模拟地电源地一点相连。

3. 抑制直流零点漂移理论分析

零点漂移是指当放大电路输入信号为零时，由于受温度变化，电源电压不稳定等因素的影响，是静态工作点放生变化，并知己放大和传输，导致电路输出端电压偏离原固定值而上下飘动。放大电路级数愈多、放大倍数愈大，输出端的漂移现象俞严重。抑制零点漂移的措施，除了精选元件、选用高稳定度电源以及用稳定静态工作点的方法外，在实际电路中可采用补偿的方法。补偿是指用另外一个元器件来抵消放大电路的漂移，把漂移抑制在较低的限度之内。前级的放大器引入的直流对整体的系统影响最大，系统通过手动调节分压网络的方式对前级放大器引入的直流进行补偿。后级运放则通过软件调节另一分压网络的方式对后级可控增益放大级引入的直流进行补偿。

三、 硬件电路设计

3.1系统框图

信号输入手动调节信号输出前级放大增益调节带宽预置后级放大彩屏显示STM32电源 图一 系统框图

本系统主要由前级发达模块、增益控制模块、后级放大模块、键盘及显示模块和电源模块。如图一所示。

3.2可控电压增益电路

可控增益调节部分我们使用压控增益放大器VCA820，VCA820在宽频带工作图1 系模式下，增益控制范围为-20dB～+20dB ，但增益dB和控制电压不是线性关系。如图二所示。

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图二 压控增益电路

3.3前级电压增益放大电路

由于OPA657的增益带宽积高达1.6GHz,并且其输入失调电流仅有±0.25mV，对于后级电路的调理起到相当大的简化作用，该运放有良好的带宽增益。如图三所示。

图三 前级增益放大

3.4后级电压增益放大电路

作为末级放大电路，一方面需要满足题目要求电压增益Av≥60dB，另一方面为了避免放大倍数过大而自激，引入干扰。末级放大电路应尽可能小但又必须达到要求。

方案一：考虑前级放大电路使用优越的精密运算放大器OPA657，此级放大也采用该放大器。经过前面三级放大，末级仅仅需要实现4倍放大即可达到题目所有要求。

方案二：考虑单位增益稳定性且需电压反馈运放，可选择大功率带宽，单位增益稳定，新输出级结构输出高的电流占用较小的空间的单电源运放OPA2694。

通过实际测试，OPA2694的测试性能能及输出好于OPA657的各项指标，并能完成题目要求的电压增益Av≥60dB，且很好的避免因放大倍数太大引起的自激。

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R2 1kC1 10uV2 54V+V--+2R1 1kC2 104Out1VF1 35U1 OPA694C3 10uV1 5C4 104VG1+

图三 前级增益放大

四、 软件仿真

在放大电路设计里，系统方案选取TI公司的OPA2694和OPA657，其中，OPA2694为二路、宽带、低功耗电流反馈运算放大器，电流反馈运放可以在较宽的增益范围内保持高带宽，而且OPA657的增益带宽积高达1.6GHz,并且其输入失调电压仅有±0.25mV，对于后级电路的调理起到相当大的简化作用，该运放有良好的带宽增益。当把其增益设置为20db时，其带宽可以达到100MHZ,同时在80MHZ以内，增益稳定度很稳定，能满足题意要求，具体的TINA的软件仿真如下：

图一 OPA567的TINA仿真

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图二 OPA2694的TINA仿真

在TINA的软件仿真图中，可以看出，这些参数设置完全可以满足题目要求。

五，系统测试及结果分析

1. 测试使用的仪器设备

(1)350M数字式存储示波器：RIGOL,型号DS4034； (2)高频信号发生器：RIGOL，DS5252； 2. 测试方法

设置输入有效值为10mv的电压信号，测试通频带内是否平坦。设置

不同的控制电压的值来控制增益，读取示波器读取电压的峰峰值，从而计算有效值。

3. 测试数据 注：V=10mv 频率 0.3MHz 10MHz 30MHz 50MHz 增益(dB) 0 20 12.1 mV 110mV 12.1mV 109 mV 12.2 mV 110 mV 40 1.08V 1.06V 80MHz 11.8mV 107 mV 1.08mV 100MHz 11.78 mV 108 mV 12.0 mV 109mV 1.07mV 120MHz 10.8 mV 98mV 975mV 7

频率 70MHz 增益(dB) 0 20 12.0mV 110mV 40

1.08V 1.06V 983mV

测试结果分析：

0dB情况下增益起伏：0.438<1； 20dB情况下增益起伏：0.924<1； 40dB情况下增益起伏：0.972<1；

满足题目所设频带内增益起伏≤1dB。

4.测试结果分析

通过表可以看出放大器在0-80M通频带内平坦，最大起伏等于0.4dB，完全符合题目要求中通频带内增益起伏≤1D的指标。

六、结论与系统改进措施

1．作品达到了题目所有基本和发挥部分的部分功能及指标的要求：

（1）电压增益Av≥20dB，输入电压有效值Ui≤20mV。Av在0～20dB范围内可调。 （2）最大输出正弦波电压有效值Uo≥200mV，输出信号波形无明显失真。 （3）放大器BW-3dB的下限频率fL≤0.3MHz，上限频率fH≥20MHz，并要求在

1MHz～15MHz频带内增益起伏≤1dB。

（4）放大器的输入阻抗= 50欧，输出阻抗= 50欧

（5）本设计多使用集成芯片，以较低的成本实现了题目要求。

（6）电压增益Av≥60dB，输入电压有效值Ui≤1mV。Av在0～60dB范围内可调。 （7）放大器BW-3dB的下限频率fL≤0.3MHz，上限频率fH≥100MHz，并在1MHz～

80MHz频带内增益起伏≤1dB，最大输出正弦波电压有效值Uo≥1V，输出信号波形无明显失真。

（8）最大输出正弦波电压有效值Uo≥1V，输出信号波形无明显失真。

2．存在问题及改进措施：

（1）在实际调试时，在0.3MHZ至80MHZ频带内，OPA657增益稳定度很好，但是在80MHZ以后增益幅度有所提升,所以采用OPA2694来替换OPA657,增益稳定度很好，同时频带更宽，可达170MHZ,输出波形无明显失真。

（2）在双路运放级联时，电流反馈放大器在增益和大信号的调理中表现 更好的带宽和失真度，但是有时会发生自激，在调试中发现，在两级之间实现阻抗匹配，就没有了自激现象的产生。

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参考文献

[1] 孙肖子等. 电子设计指南. 北京：高等教育出版社，2006

[2] 孙肖子等. 模拟电子电路及技术基础. 西安：西安电子科技大学出版社，2008 [3] 冈村迪夫. OP放大电路设计. 北京：科学出版社，2006.

[4] 全国大学生电子设计竞赛组委会（编）．全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选（2003）．北京

[5] 黄争. 德州仪器高性能模拟器件在大学生创新设计中的应用与快速选型指南. 上海：德州仪器（上海）有限公司大学计划部，2009

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