射频宽带放大器设计报告文档格式.docx

1、3.2程序的设计9四、测试方案与测试结果 .104.1测试仪器.104.2 测试方法及数据.104.3 测试结果及析.11五、总结.12附录1：元器件表12附录2：幅频特性显示与波形显示.12附录3：总电路图15附录4：源程序 .151、系统方案1.方案比较与选择（1）前置放大电路方案一：选用分立元件搭建电路，可以输出较大电压，但需采用多级高频电路，电路比较复杂，工作点难于调整，容易产生自激振荡，难以保证带宽，故不选用此方案。方案二：使用多级放大器实现放大，采用同相输入形式，多级放大电路的对数增益等于其各级对数增益的对数和。此方案原理简单，易于调试，能够满足题目中输入阻抗和线性度的要求，故选取

2、此方案。综上所述，选择方案二。（2）压控增益放大电路采用可编程放大器思想，通过程序调节放大倍数，使A/D转换器满量程信号达到均一化，大大提高测量精度，但由于难以满足高频率的指标，控制的数字量和电压增益不成线性关系，故不采用此方案。采用程控电位器作为反馈电阻，由于电压增益的调节围较大，需要电阻值的调节量很大，增加了电路的复杂程度，易影响分布的电容，造成电路的不稳定，故放弃此方案。方案三：选用集成压控放大器作为增益控制，其增益与控制电压成线性关系，通过单片机输出数字信号到D/A芯片转换出相应的控制电压，实现精确的数控，且外围电路简单，便于调试，故选用此方案。综上所述，选择方案三。（3）后级放大电路

3、采用晶体管单端推挽放大电路，通过多级深度负反馈扩展通频带，级联可用直接耦合方式，但直接耦合的多级放大电路调试繁琐，电路不够稳定，且对电源电压的要求较高，所以放弃此方案。选用多级运放实现放大，可以输出较高电压，但由于要与前置放大电路和压控增益放大电路级联，本身也要级联，带宽缩减，波形容易失真并产生自激振荡，所以放弃此方案。选取单片集成宽带运算放大器。避免了本身级联使得带宽缩减，波形不易失真，且该方案电路较简单,容易调试,故采用本方案。2.方案描述 系统框图如下图1所示，系统主要由四个模块构成：前级放大电路增益为20dB,由两级OPA690 组成，保证输入阻抗匹配。放大后的信号通过VCA810再次

4、进行放大，其中由单片机对VCA810输入-20V的控制电压以涵盖020dB 的增益调节围。在压控增益放大电路再接一级后级放大电路，设置后级放大电路的增益为20dB，整个电路就能实现060dB的增益调节。 图1 系统框图二、理论分析与计算1.宽带放大器设计 本系统的宽带放大器主要体现在前置放大电路与后级放大电路，分别采用OPA690和THS3001两种运放。OPA690是宽频带、低温漂运放；THS3001是电流反馈运放，其带宽达到420MHz，两者对单位增益稳定都有很大作用。增益带宽积一定，为了扩展通频带，两个电路的放大倍数均设置为20dB，加上中间压控增益电路的可调节增益围-4040dB，则整

5、个电路的增益调节围达到80dB。2.频带增益起伏控制随着频率的增高，放大器的增益会随之下降，通过补偿电容即在电阻两端并联电容（如下图2所示），当频率增高时，阻抗减小，电路的放大倍数增加，从而实现相位补偿和增益补偿，使信号在通频带的增益更加平坦，并调整反馈电阻，将放大器的增益在通频带的起伏降至最低。 图2 电容补偿图3.射频放大器稳定性 由于本系统放大倍数非常大，芯片的增益带宽积越大越容易引起自激振荡，所以在运放的连接中，反馈电阻尽量靠近输入引脚，接地端并联旁路电容，级联采用阻容耦合，布线要短且尽量减少弯折。在输入级，将整个运放用较粗的地线包围，缩短地线回路，吸收高频信号减少噪声，增加电路的稳定

6、性。4.增益调整 增益控制部分以VCA810为核心，其通频带为25MHz，增益调节围为-4040dB，输入控制电压为0-2V,增益控制精确到1.5 dB。题目要求电压的最大增益要大于等于 60dB，且在060dB可调,而中间级采用的压控增益放大器 VCA810对输入电压和输出电压均有限制，所以，必须合理分配各级放大器的放大倍数。前置放大电路增益设置为 20dB，则前置放大电路和VCA810级联可实现-2060dB 的增益调节围。由于输入电压有效值小于等于1mV，为了提高 VCA810 的输入电压和进一步提高系统最高增益，VCA810下一级增加增益为20dB 的后级放大电路，则系统增益调节围为

7、080dB。三、电路与程序设计1.电路设计电路如下图3所示。设置前置放大电路，采用宽频带、低漂移运放OPA690，在5V双电源供电下，组成二级级联的同相宽带放大器。在其同相输入端并联 51电阻到地，实现阻抗匹配。反馈电阻经过多次调试确定分别为560和800，反相输入端阻抗则由电阻与电容构成，频率增加，阻抗减小，而第一级同相电路的增益Av1为Av1=1+R4/Z1（Z1为R1、R2、C1构成的阻抗），从式中很容易看出增益也随之增大。两级之间采用一样的电路网络，第二级的增益Av2为Av2=1+R8/Z2（Z2为R5、R6、C4构成的阻抗），则整个前级放大电路的增益为Av=Av1*Av2，实现20d

8、B以上的放大。图3 前置放大电路电路如下图4所示，系统压控增益放大电路以VCA810为核心，其带宽达到35MHz，增益-40dB至+40dB连续可调，最高的增益线性度为0.3dB/V。采用单片机程控DA转换输出电压，来控制VCA810的电压增益，同时可手动按键更改电压增益。结合前级放大电路的增益20dB，整个电路则实现020dB连续可调。图4 压控增益放大电路电路如下图5所示，与前置放大电路相似，采用宽带电流反馈放大器THS3001在5V双电源供电下，构成同相宽带放大器，为了与输出阻抗匹配，在输出端串联一个50的电阻。反馈电阻接入1.8k，该放大电路的增益Av3=1+R16/Z3（Z3为R14

9、、R15、C9构成的阻抗），实现20dB以上的增益。图5 后级放大电路2.程序设计 由于本环节中单片机只需具备控制增益和液晶显示的功能，所以软件设计比较简单。启动单片机后进入增益控制及显示界面，可以通过按键调节增益，步进0.4dB，并将控制电压和增益显示在液晶屏上。如下图6为软件流程图。 图6 软件流程图四、测试方案与测试结果1.测试仪器（1）VC9802A+型数字式万用表（2）RS-1303DQ电源（3）GDS-815C数字存储示波器（4）EE1461 DDS合成信号发生器 （5）SP3060型数字合成扫频仪2.测试方法及数据（1）放大器最大增益与最小信号输入端加1MHz正弦波，调节电压和增

10、益测得波形不失真最大输出电压有效值。输入有效值:1mV预置增益:60dB输出有效值:1V（2）放大器输入阻抗与输出阻抗电路设计的输入阻抗为50，测得输出阻抗为50。（3）输出端噪声在Av60dB时，将输出端短接，输出端噪声电压的峰峰值UoNpp为90mV，达到UoNpp100mV的要求。（4）幅频特性测试放大器宽带预置100MHz显示，最大起伏为0.98dB。测试数据如下表1，测试的采样波形图及幅频特性见附录2。输入电压（mV）增益（dB）输出电压（mV）带最大起伏1MHz5MHz8MHz12MHz15MHz1.002010.040100990.0086010009999959879800.1

11、820MHz40MHz60MHz80MHz100MHz19.89.69.39.10.82979693900.929739629479218930.98表1 通频带为100MHz的幅频特性3.测试结果分析（1）放大器的最大增益大于60dB，输入电压的有效值小于1mV，最大的输出有效值大于等于1V且增益在060dB连续可调，波形也无明显失真，达到题目的指标要求。（2）电路设计的输入阻抗等于50，输出阻抗等于50，满足题目的指标要求。（3）在增益大于60dB的前提下，噪声电压小于100mV，满足题目对噪声的指标要求。在测试噪声电压时，由于测试环境中有大量的电子设备，干扰较大，屏蔽盒不够完善，如果对整

12、个电路加强屏蔽，噪声电压会更小。（4）由表1知，通频带的电压增益起伏小于1dB，3dB的带宽也满足题目所要的围，达到题目的指标要求。由于示波器本身的仪器误差，使得读出的数据与理想的数据有些微出入，如果使用更为精密的仪器，读出的数据将更为准确。（5）单片机显示控制了电压的增益，自制屏蔽罩大幅度减少了噪音，符合题目中发挥部分的其他。五、总结 本设计圆满地完成了基本部分的要求，较好地完成了题目发挥部分的要求，但仍存在一定的发展空间。例如由于最后一级电路放大高频特性的限制，如果继续改善补偿电路，可使通频带的增益起伏降低至0.5dB；另外，若将电路板做成PCB板，合理的布局以及采用大面积覆铜等措施，可以

13、使噪声电压降到更低，进一步提系统的性能。附录：1.元器件表射频宽带放大器元器件清单元件名称规格 数量备注运算放大器OPA6902VCA810THS3001可调电阻10k电路板2.幅频特性显示与波形显示图7 0dB幅频特性图8 10dB 幅频特性显示图9 20dB幅频特性显示图10 1MHz达到的峰峰值波形图图11 20MHz不失真波形图3.总电路图4源程序#include reg51.h#define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define PCF8591 0x90 /PCF8591 地址 #define uint unsig

14、ned inttypedef unsigned char BYTE; /用BYTE代替unsigned char typedef bit BOOL; / 用BOOL代替bit BOOL lcd_bz（）;sbit LCD_RS = P26; /复位端 sbit LCD_RW = P25; /写数据端sbit LCD_EP = P27; /使能端sbit K1=P10;sbit K2=P11;sbit SCL=P21; /串行时钟输入端 sbit SDA=P20; /串行数据输入端 void delay1（int ms）;void lcd_wcmd（int cmd）;void lcd_pos（B

15、YTE pos）;void lcd_wdat（BYTE dat）;void lcd_init（）;unsigned char code cdis1 =VOLTAGE: V;unsigned char code cdis2 =GAIN: dBunsigned char data display1 =0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00;unsigned char data display2 =0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0XFF;/*延时函数*/ void delay1（int ms） int i; while（ms-） for（i = 0; i 250; i+） _nop_（）; /*测忙函数*/ BOOL lcd_bz（） BOOL result; LCD_RS = 0; LCD_RW = 1; LCD_EP = 1; result = （BOOL）（P0 & 0x80）; LCD_EP = 0; return result;/*写命令函数*/void lcd_wcmd_8bit（int cmd） while（lcd_bz（）; LCD_RW = 0; P0 = cmd; /*LCD写入命令函数*/ void lcd_wcmd（int cmd） /高4位传入 P0 = （cmd&0x0f）0;x-） for（