2015年全国大学生电子设计竞赛（D题）增益可控射频放大器

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摘要
本系统由四级放大器级联实现12-52dB的增益调节范围。最大增益大于52dB。第一级放大器由TI公司的THS3201构成，二级放大电路由TI公司可控增益放大器VCA821构成，第二级可以实现-20dB到20dB增益调节范围，可以通过单片机控制DA输出电平控制增益；后两级放大电路由TI公司的宽带放大器OPA695实现, 每一级固定放大8倍。为了保证能够完成发挥部分的要求我们再加一级增益补偿模块，为了驱动5欧姆的电阻，我们在最后加一级TI公司的THS3091作为功率放大器使电路的有效值输出达到题目要求。我们通过细致调节各级联电路，使带宽最大。为解决宽带放大器的自激问题以及减小输出噪声，本系统采用多种形式的抗干扰措施，抑制噪声，改善放大器的稳定性。
关键词：宽带；射频；可控增益；OPA695；VCA821；STM32F103VET6

一、系统方案
1.系统总体设计方案的描述
本系统使用TI公司的THS3201，VCA821,OPA695三种芯片构成四级放大。第一级是由THS3201构成固定20dB增益的前级放大器；第二级为VCA821构成的—20dB到20dB的可控增益放大器，可由单片机通过DA输出参考电平控制总体增益以4dB步长实现12到40dB的增益变化；后两级由两个OPA695组成两级放大电路，每一级固定增益为20dB。考虑到每一级间的阻抗匹配，每一级增益下降为原来的一半，电路的总增益可以达到55dB,在末级采用THS3091作为功率放大级驱动50欧负载并采用由电源模块转换得到的±15V电源电压供电使得输出有效值大于2V，本系统满足题目基本部分和发挥部分要求。

2.主要模块的比较与选择
2.1前级放大模块的选择
方案一：选用THS4303作为前级放大模块，THS4303是TI公司生产的固定增益10倍的宽带高速放大器，通频带可达200M，但100M之上频谱特性不完美。
方案二：选用THS3201作为前级放大模块，THS3201是TI公司生产的频带可达1.8GHz的高速宽带放大器，带内增益平坦，性能极佳，满足题目要求。
方案三：选用AD603作为前级放大模块，AD603是一款常用的高速宽带运算放大器，性能优良，但-3dB带宽只有30MHz，不能达到题目要求。
综上所述，我们选择方案二THS3201作为我们的前级放大模块。

2.2可控放大模块
方案一：采用可编程放大器的思路，将输入交流信号作为高速DAC的基准电压，用DAC的电阻网络构成运放反馈网络的一部分，通过改变DAC数字控制量实现增益控制，但是控制的数字量和最后的（dB）不呈线性关系而呈指数关系，造成增益调节不均匀，精度下降，因此不选用此方案。
方案二：用TI公司的集成可控增益放大器VCA821作为增益控制，控制电压为0—+2V。采用一级VCA824理论上最大可实现-20dB—+20dB的增益调整范围，可以通过单片机设定增益，能方便的实现题目要求。
方案三：在后级电路接一电阻网络，运用相应的电阻分压来实现增益的调节，这种方法不用引入数字电路，可以避免不必要的干扰，但会使模拟电路十分复杂，出现不必要的干扰。
为了使在带宽满足要求的基础上，增益尽可能大，本系统采用方案二，VCA821做第二级放大。

2.3后级放大模块
采用OPA695作为后级放大模块，OPA695带宽可达450MHz，在0到200M范围内增益平坦，且放大大信号的能力强，满足作为后级放大的条件,在制作的过程中因为我们不能保证各级级联起来后放大的倍数的情况，所以我们可能在后级再加一级放大以此来满足放大倍数的要求。

2.4功率放大模块
方案一：采用两级THS3201并联扩大电流的方式提高带负载能力，并采用±7.5V的供电方式进行供电，以此来满足使得输出电压有效值大于2V的目标。
方案二：采用TI公司的THS3091作为功率放大模块，THS3091可以在±15V供电下工作，具有±250mA的电流输出，且-3dB带宽可以达到210MHz满足题目要求，并且工作稳定。
因为采用两级THS3201并联的方式工作不稳定，极易出现自激现象，而THS3091工作线性度好完全满足题目要求，因此我们采用宽带高增益放大器THS3091作为功率放大模块。

2.5控制模块的选择
由于该题目控制内容比较简单，不需要高速的数据处理与运算，为了提供良好用户体验和人性化的人机交互，MCU我们采用STM32F103VET6，使用它内置DA输出直流电平，使用TFTLCD触摸屏输入控制增益并显示出当前增益值。

二、理论分析与计算
1.射频放大器设计
按照题目的发挥部分的要求，通频带为40MHz-200MHz，最大电压增益Av大于等于52dB,则增益带宽积为。采用分级放大的方式，使放大器的整体增益超过52dB。本系统采用四级级联，依次为THS3201（10倍），VCA821（-10-10倍），OPA695（8倍），OPA695（8倍）。但四级级联起来外加一级功率放大，为了避免自激，调节时可适当降低增益。系统增益可以达到12到52dB可调。

THS3201在放大10倍时-3dB带宽为480MHz，OPA695在放大倍数为8时，-3dB带宽为450MHz；VCA821在放大倍数为10时，-3dB带宽为300MHz。所以四级级联，理论上带宽可以达到300MHz。题目要求要驱动5欧姆的电阻且有效值大于等于2V，则幅值大于等于2.82V，峰峰值要大于等于5.66V，考虑到阻抗匹配增益会缩小一半，所以最后一级功放的输出峰峰值要大于等于11.3V，所以用+12V单电源供电难以实现，故我们考虑运用升压模块升压到±15V驱动THS3091，实现5欧姆的驱动，使放大器满足题目基本部分和发挥部分要求。

2.频带内增益起伏控制
对于通频带内的增益起伏的控制，设置放大器的-3dB带宽频率范围为40MHz到200MHz，在50MHz-160MHz通频带内增益起伏小于2dB。THS3201在放大倍数为10倍时400M范围内增益起伏小于2dB，OPA695在放大倍数为8倍时，400MHz内增益起伏小于2dB，VCA821在放大倍数为10倍时，200MHz内增益起伏小于2dB，THS3201在180M的范围内增益小于2dB。各级级联仍可满足要求。在实际调试过程中，随着频率的增大，放大器的增益会随之下降，可以通过补偿电容来添加极点，进而实现相位补偿和增益补偿，这样就可以将放大器的增益在通频带内的起伏控制在最小范围内。

3.射频放大器稳定性
系统的稳定性取决于系统的相位裕量。相位裕量是指放大器的开环增益为0dB时的相位与180度的差值。放大器一般会有自激的问题。自激振荡是由于信号在通过运放及反馈回路的过程中产生了附加相移，用表示放大器的附加相移，表示反馈网络的附加相移，当输入某一信号频率为，使（N为奇数），反馈量使输入量增大，电路产生正反馈。

由于本系统的反馈均为运放单级反馈，故应注意使每级运放自身产生的附加相移小于180度。在电路调试过程中，可以人为引入电阻和电容使得自激振荡得以消除。对于高速、宽带的电流反馈型运放，我们特别注意了走线布局，如反馈环一定要走最短线路，因为长的线会引起更大的附加相移；计算选择了合适的反馈电阻阻值，使其不因阻值太大而产生更大的分布电容，导致更大的附加相移；也不因阻值太大而降低放大器的带宽。同时，在画PCB的过程中，采用铜板大面积接地，级间采用同轴电缆，尽可能减少干扰。

4.增益调整
按照题目的发挥部分的要求，采用分级放大的方式，使放大器的整体增益超过52dB。本系统采用四级级联进行放大，依次为THS3201（10倍），VCA821（-10-10倍），OPA695（8倍），OPA695（8倍）。但四级级联起来，为了避免自激，调节时可适当降低增益。系统增益满足12dB—52dB范围可调。增益的调整通过调节VCA821控制电压来进行。VCA821控制电压为0V-+2V，采用DA提供参考电压，当控制电压为0V时，系统带50欧负载放大12dB；控制电压为2V时，放大可大于52dB。增益单位为分贝时，增益与控制电压成正比增长。为了能够完美地实现发挥部分的要求，使得增益能够完美的满足题目要求，我们会在后级放大后加一级增益补偿模块，放大倍数设定为2倍左右，使得各级级联以及线路中的衰减得到补偿。为了驱动负载，我们在末级加一级功率放大，放大倍数设置为2倍。

三、电路与程序设计
1.前级放大电路
采用THS3201实现前级电路的放大，采用反向输入模式，按照TI公司提供的数据手册给定的+10倍增益的电路图完成第一级的设计。具体的电路设计如图1:

图1 前级放大电路图

2.可控增益放大电路
采用VCA821实现，同相输入放大，用单片机控制DAC产生电压信号进行增益的步进控制，。可实现-20-20dB增益的调节。其作用：隔离；低噪声；合适的输入阻抗50欧；具有一定的放大倍数。电路示意图如图2所示：

图2 VCA821组成电路

3.后级放大电路
第三、四级放大电路是使用OPA695实现固定增益放大8倍。采用同向输入。电路图如图3所示：

图3 OPA695组成电路

4.增益补偿电路的设计
为了补偿相应的增益损失，我们将在后级放大模块之后加一级增益补偿模块，根据具体的参数要求以及考虑到实际情况以及我们对各种芯片的熟悉程度，我们决定采用OPA695作为我们的增益补偿模块，以此来保证发挥部分52dB的增益。具体的电路结构与后级放大电路相同，可参见图3。

5.功率放大电路的设计
运用THS3091作为功率放大级的芯片，为了最终的增益考虑，我们按照2倍增益的放大倍数设计，具体的电路图如图4所示：

图4 功率放大模块

6.抗干扰处理
我们在实际制作中采用以下措施减少干扰，避免自激：（1）每一级都加屏蔽，避免级间干扰和高频自激。（2）将整个运放用很宽的地线包围。（3）各模块采用同轴电缆连接。（4）电源退耦。经实际测量，系统工作稳定，抗干扰效果良好。   

四、测试方案与测试结果
1.测试仪器与设备

表1        测试仪器与设备列表

2.基础部分性能测试

表2 频率与增益数据表        ，室温26℃

              
测试条件：输入有效值20mV，放大倍数为40dB,Rin=50Ω，Rout=50Ω
测试结果及分析：电压增益可实现12—40dB连续可调。当输入电压有效值小于20mV，最大输出正弦波电压有效值大于2V。通频带范围满足要求，增益起伏小于2dB，满足要求。

3.发挥部分测试

表3 频率与增益数据表，室温26℃

测试条件：输入电压有效值4mV，放大倍数为52dB,Rin=50Ω，Rout=50Ω
用示波器连续调整输入频率，观察得到增益最大值和最小值，50MHz-160MHz增益起伏小于1dB。
测试结果及分析：电压增益12-52dB可以通过单片机DA输出步进调节。输入电压有效值小于5mV，最大输出正弦波有效值大于2V。通频带范围满足要求，增益起伏可部分满足要求。满足发挥部分的要求需要多级级联，由于级间的阻抗匹配问题，会导致整体增益下降，所以又要增加级数使增益增大，我们采用4级级联，因此会导致增益有起伏。

五、总结
本系统由固定增益放大，可控增益放大组成。第一级固定增益放大可实现10倍的增益控制；第二级可变增益实现-20dB到20dB，第三、四级固定增益放大可实现8倍的增益放大，在后级放大电路之后加一级OPA695作为增益补偿电路。本系统整体上可以实现至少12到40dB增益调节，并且-3dB带宽满足题目要求。通过提高电源电压变换为±15V为功放供电成功实现了驱动负载使有效值达到2V，我们还通过通过电容补偿和减小干扰，通频带尽可能平坦。本系统采用多种形式的抗干扰措施如使用屏蔽盒，级间使用同轴电缆连接等，解决宽带放大器的自激问题以及抑制噪声，改善放大器的稳定性。可以完全达到基本部分要求，基本达到发挥部分要求。