2015年国赛D题-增益可控射频放大器.doc

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1、0D D 题题 增益可控射频放大器增益可控射频放大器电子科技大学电子科技大学作者：谭文作者：谭文 张育铭张育铭 易嗣为易嗣为1摘要摘要 本系统由电流反馈型运算放大器 AD8009,程控衰减器 HMC307 构建而成。系 统前级通过级联四片 AD8009 实现 46dB 固定增益放大，由前级衰减器和中间级 衰减器实现 4dB66dB 总动态增益范围，后级由 RF3827 做功率级保证输出有效 值 2V 以上且波形不失真。系统各部分采用屏蔽盒进行电磁屏蔽，各个模块独立 线性稳压电源供电，提高稳定性和抗干扰能力。经测试，本系统达到了题目的 所有要求。 关键词：射频宽带放大器、HMC307、AD800

2、9AbstractAbstractThis system consists of current feedback amplifier AD8009 and digital attenuator HMC307.The primary System achieve 46dB fixed gain by cascading 4 AD8009 and achieve 4dB66dB gain dynamic rang with two digital attenuatores. To reach 2Vrms output without distortion，we use RF3827 as fin

3、al amplifier . All parts of system are warped up by shielding box protected from EMI.Every module are supplyed by separate LDO to enhance systems stability and anti-jamming capability.This system pass text andmeet all request of subject 2一、系统方案.4 1.1 程控增益的论证与选择.4 1.2 固定增益放大器的论证与选择.4 1.3 输出缓冲级放大.4 1.

4、4 滤波器设计.4 1.5 总体框图.5 二、系统理论分析与计算.5 2.1 宽带放大器设计.5 2.2 频带内增益起伏控制.5 2.3 射频放大器的稳定性分析.6 2.4 增益调整.6 三、电路设计.6 3.1 固定增益模块设计.6 3.2 程控增益模块设计.6 3.3 后级射频功放模块设计.7 四、测试方案与测试结果.8 4.1 测试仪器.8 4.2 测试方案及测试条件.8 （1）测试阻抗匹配和负载设置.8 （2）放大器电压增益测试.8 （3）放大器 BW-3dB及增益平坦度测试.8 4.3 测试结果及分析.8 （1）放大器电压增益测试.8 （2）放大器 BW-3dB带宽测试.8 五、参考

5、文献.93增益可控射频放大器（增益可控射频放大器（D 题）题）【本科组本科组】一、系统方案一、系统方案本系统主要由程控增益模块、固定增益放大模块、滤波器模块、功率放大 器模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.11.1 程控增益的论证与程控增益的论证与选择选择方案一：采用 HMC743ALP6CE 数字可变增益放大器。这款芯片可以实现- 45dB 到+18dB 的增益调节，步进 0.5dB，在 50MHZ 到 200MHZ 范围内最大增益波 动0.5dB，且该芯片+5V 供电，能很好的满足题目要求+12V 供电，该芯片性能 优良，很好的满足了题目的要求，并且-45dB 到+18dB 的调节

6、范围使后级系统设 计更加灵活，然而该芯片价格昂贵，竞赛期间难以采购，故采用其他方案。 方案二：采用 PGA870 数字可变增益放大器，此芯片增益范围为- 11.5dB20dB,能够满足题目 12dB40dB 动态范围，但是其动态范围不能满足 发挥部分要求步进至 52dB 以上。更大的缺点是，经过实测，其带内起伏波动太 大，不适合本题带内波动小于 2dB 的要求。 方案三：采用 HMC307 程控衰减器+固定增益放大器实现增益步进可调， HMC307 衰减步进 1dB，动态范围 031dB，增益误差0.5dB，如果采用一级衰 减，其动态范围同样很小，采用两级级联可实现 0dB-62dB 的动态范

7、围，经过 实测，其带内起伏小于 1dB,且其增益误差小，完全满足题目要求。 综合考虑，方案三绿色环保，实现简单方便，故采用此方案。1.21.2 固定增益放大器的论证与选择固定增益放大器的论证与选择对于高速宽带放大，电流型运放具有特有的优势，性价比较高。考虑到每 一级放大带宽不小于 100Mhz，且增益为 20dB，因此选择我们队平常训练常用的 高速电流型运放 AD8009，该运放小信号带宽 1GHz，大信号带宽 440MHz，压摆 率 5500V/us，完全能满足系统要求。1.31.3 输出缓冲级放大输出缓冲级放大方案一：采用两片 AD8009 并联输出进行功率合成，经过实测，难以保证两 路信

8、号相位完全重叠，容易引起信号失真。 方案二：采用 RF3827 作为后级功率输出芯片，该片子固定增益 20dB,带宽 5M1500M,P1dB 压缩点 24dBm,而我们的系统总共需要 19dBm，经过测试，输出4有效值最大可达 2.8V，完全满足我们的需求。 1.41.4 滤波器设计滤波器设计采用高 Q 值电感与精密电容，分别制作 8 阶低通滤波器与 8 阶高通滤波器， 通过级联两个滤波器实现发挥要求（四）：电压增益 AV52dB，当输入信号频 率 f20MHz 或输入信号频率 f270MHz 时，实测电压增益 AV 均不大于 20dB。1.51.5 总体框图总体框图经过以上综合分析，我们得

9、到如下系统框图（图 1.5.1）：图 1.5.1 总体框图二、系统理论分析与计算二、系统理论分析与计算2.12.1 宽带放大器设计宽带放大器设计经过方案论证，本系统采用运算放大器实现，按照题目发挥部分的要求， 输入信号有效值 Vi5mV,输出电压有效值2V,即峰峰值 Vpp5.6V-3dB 带宽 大于 200Mhz，若采用单级运放，增益带宽积要达到 GBP=398.1200M=79.6G， 单级放大甚至两级放大都是难以做到的。因此，通过将单级增益保持在 20dB 以 下，加上多级级联的方式实总增益 52dB 的目标。本系统中，前级采用单级程控 衰减器 HMC307（带宽为 DC4G，动态范围

10、0-31dB）防止大信号输入导致后 级失真,中间级设置三级固定增益实现 46dB 放大（后级 50 欧负载实得增益）， 再级联一级程控衰减实现总动态范围 0-62dB,输出级采用射频功放实现 20dB 放大（后级 50 欧负载实得增益），综上，实现了本系统最大增益 66dB,增益调 节范围为 4dB66dB。2.22.2 频带内增益起伏控制频带内增益起伏控制按照题目的要求，整个系统至少要满足在 50Mhz160Mhz 内最大增益波动 不大于 2dB。由于本系统是七级级联结构，且每一级都有可能单独工作，所以5要保证每一级最大增益波动小于 2dB。此外，在各级共同工作时，系统的总的 增益曲线为各个

11、模块的叠加。考虑最极端的情况，即各部分的最大增益波动点 为同一位置。在这种情况下，要保证各级最大增益波动小于 0.28dB 才可满足题 目要求。因此，在进行单级设计时，应该尽可能降低在 50160MHz 通带内的波 动，必要时需要通过调整电路结构或外接 LC 网络进行一定的增益补偿。2.32.3 射频放大器的稳定性分析射频放大器的稳定性分析造成放大器不稳定的因素主要包括内部正反馈和外部耦合这两种方式。对 于前者，可能由于布线不合理、放大器反馈设计不合理、单级增益过高，各级 信号通过公共网络（如馈电网络）进行串扰等原因造成。因此首先应限制单级 增益，对于高速电流型运放可以参考相应器件手册给出的建

12、议反馈电阻。为了 防止因馈电网络造成的串扰，可对每一级网络进行单独供电。在电路实际制作 中，应小心布局布线，虽然由于比赛的时间限制无法制作 PCB 板，但也建议采 样覆铜板来进行制作。 对于后者（外部耦合），可通过加屏蔽盒的方式来对放大器进行隔离。2.42.4 增益调整增益调整正如前文所述，稳定性、带宽等原因限制了单级增益，所以将整个系统划 分为四个放大级。前面两级做固定增益，第三级用作程控放大。最后一级作为 输出级主要目的是提高输出功率，所以可适当降低增益，并采用压摆率较高、 电源轨较宽的运放。三、电路设计三、电路设计3.13.1 固定增益模块设计固定增益模块设计通过方案论证与理论分析，选用

13、 AD8009 作为放大器使用，AD8009 为宽带电 流反馈性放大器，带宽 1G，压摆率 5500V/us,采用它作为前级小信号放大完全 满足题目需求。通过级联两片 AD8009 作为一个固定增益模块获得 23dB 增益 （50 欧阻抗匹配后实得增益），再级联两级固定增益模块,总共获得 46dB 净增 益 。电路如下（图 3.1.1）：图 3.1.1 固定增益模块设计3.23.2 程控增益模块设计程控增益模块设计通过前面论证与理论分析，采用程控衰减的方式实现增益步进可调，我们 选用 HMC307 作为衰减器使用，该芯片衰减步进 1dB，动态范围 031dB，增益6误差0.5dB,唯一的缺点是

14、该芯片需要做电平转换电路。电路如下（图 3.2.1- 3.2.2）：图 3.2.1 程控增益模块设计图 3.2.2 电平转换电路3.33.3 后级射频功放模块设计后级射频功放模块设计因为根据题目需求，需要输出有效值大于 2V，这里选用 RF3827 作为后级功 率输出芯片，该片子固定增益 20dB,带宽 5M1500M,P1dB 压缩点 24dBm,而我们 的系统总共需要 19dBm，经过测试，输出有效值最大可达 2.8V。完全满足我们 的需求（图 3.3.1）：7图 3.3.1 后级射频功放模块设计四、测试方案与测试结果四、测试方案与测试结果4.14.1 测试仪器测试仪器（1）500M 数字

15、示波器SDS3054（2）函数信号发生器DG5352（3）可编程直流电源IPD-3303LU4.24.2 测试方案及测试条件测试方案及测试条件（1）测试阻抗匹配和负载设置 将信号源设置为 50，与系统输入阻抗匹配，此时信号源的读数即为系统 的输入幅值，在系统的末级不经加负载，直接连接示波器，将示波器探头设置 成 50 输入，此时示波器的读数就相当于 50 负载上所获得的幅值。（2）放大器电压增益测试 设置信号源频率为 90MHz，输入有效值 20mV，步进调节增益直到40dB。 再次设置信号源输入有效值 5mV，步进调节增益直到40dB。（3）放大器 BW-3dB及增益平坦度测试 设置输入信号

16、 5mV，设置增益为 52dB，采用点频法，从 20MHz 到 270MHz 取 若干个值，测试幅度信息，计算增益。4.34.3 测试结果及分析测试结果及分析（1）放大器电压增益测试测试条件Ui=20mV，f=90MHz，RL=50 设置增益/dB4102040 测试结果/mV31.462.8201.12004.1 表 4.3.1 电压增益基本要求测试结果测试条件Ui=5mV，f=90MHz，RL=50 设置增益/dB40455262 测试结果/mV499.5890.21989.56295.6 表 4.3.2 电压增益发挥部分测试结果通过测试结果表 4.3.1 可以看出系统实现了基本要求部分输

17、入信号有效值 Ui20mV，输出信号有效值 Uo2V 指标要求，且系统可实现 1240dB 范围内 增益可调。通过测试结果表 4.3.2 可知系统达到了发挥部分输入信号有效值 Ui=5mV，输出信号有效值 Uo2V 指标要求。系统增益可在 9dB62dB 范围内可 调.（2）放大器 BW-3dB带宽测试8根据测试方案，放大器 BW-3dB测试结果如表 4.3.3 所示。测试 条件Ui=5mV，增益 52dB频率 设定 /MHz203740100120150170200212230240260270300频带 增益 /dB2.049.051.552.853.152.052.651.74948.5

18、23.613.840表 4.3.3 放大器 BW-3dB测试结果通过计算，40M200MHz 频带在其-3dB 通频带内,通过数据拟合系统的 BW-3dB为 37MHz212MHz。而且可以根据测试表格，得到系统增益在通频带内的增 益起伏小于 2dB 时，达到了题目的带宽要求以及增益起伏波动要求。五、参考文献五、参考文献【1】塞尔吉奥-弗郎哥，基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计【M】.西 安：西安交通大学出版社 2010 【2】德州仪器高性能模拟器件高校应用指南-信号链与电源 德州仪器 中国大 学计划 【3】运算放大器应用手册-基础知识篇/黄争，李琰编译.北京：电子工业出版 社，2010.1 【4】运算放大器权威指南：第四版/(卡特)著；孙宗晓译.-北京：人民邮电出 版社,2014.6