省赛 射频宽带放大器报告 最终报告分析.docx
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省赛射频宽带放大器报告最终报告分析
射频宽带放大器
【本科组】
摘要：
本设计以低功耗单片机ATmega128为控制核心，采用高宽带低噪声集成运放芯片THS3202和可控增益放大器AD603相结合的方式，制作了一个电压增益可调的射频宽带放大器。
整个系统通过继电器在各衰减网络间进行切换，并对直流漂移进行调零处理，较好地实现了电压增益0~60dB可调，输出信号波形无明显失真，且各项指标均达到或超过基础和发挥部分要求，具有频带宽、噪声低、增益高、性能稳定等优点。
关键词：
ATmega128射频宽带运放可调增益
一、引言
射频宽带放大器在射频通信中具有重要作用，它广泛应用于视频放大、信号发射等电路，对其研究与设计是具有现实的意义与作用。
1.设计要求
（1）系统的基础部分要求：
输入电压有效值为Vi≤10mV，输入与输出阻抗等于50Ω，电压增益Av≧20dB，且在0~20dB可调；最大输出电压有效值Vo≥200mV。
系统的通频带为0.3MHz~10MHz，在1MHz~15MHz的通频带内，电压增益起伏≤1dB。
（2）系统的发挥部分要求：
输入电压有效值为Vi≤1mV，电压增益Av≧60dB，且在0~60dB可调；最大输出电压有效值Vo≥1V。
系统的通频带为0.3MHz~100MHz，在1MHz~80MHz的通频带内，电压增益起伏≤1dB。
系统在增益为60dB时，输出噪声电压的峰峰值要≤100mV。
2.设计思路
根据题目要求，放大器达到带宽0.3MHz~100MHz，电压增益0~60dB可调，关键在于抑制零点漂移和通频带的扩展，因此放大器需采用多级交流耦合连接方式来实现。
二、系统设计与方案论证
1.系统总体方案
射频宽带放大器主要由固定增益放大、可控增益放大、衰减网络、通频带选择等电路组成。
输入信号经50Ω输入阻抗匹配后，通过固定增益放大、可控增益放大以及衰减网络实现增益0~60dB可调，再经通频带选择实现在0.3MHz~20MHz和0.3MHz~100MHz频带间切换，最后经50Ω负载输出无明显失真的正弦波信号。
整个系统采用低功耗单片机ATmega128控制电压增益和通频带选择，自制线性稳压电源。
总体设计框图如图1所示：
图1系统总体设计框图
2.系统方案论证
（1）通频带选择方案论证
根据题意，为实现放大器频带在0.3MHz~20MHz和0.3MHz~100MHz间可切换，需要选择滤波电路来实现，以下有两种方案可以实现：
方案一：
采用有源滤波电路。
主要由集成运放和R、C组成，集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后具有一定的电压放大和缓冲作用。
但集成运放带宽有限，目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高，故难以实现题目100MHz带宽要求。
方案二：
采用无源带通滤波电路。
主要由无源元件R、L和C组成，以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路，达到抑制高次谐波的作用；由于静止无功补偿器SVC（StaticVarCompensator）的调节范围要由感性区扩大到容性区，所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联可满足无功补偿、改善功率因数、消除高次谐波等问题。
综合考虑，方案一无法实现题目发挥部分频带100MHz的要求，且方案二电路设计简单，成本较低，电路高频特性好，故选用方案二，无源带通滤波电路。
（2）固定增益放大电路方案选择
本作品中，固定增益放大电路需满足增益大于30dB，系统各项指标才能够达到题目要求，为此，设计以下两种方案：
方案一：
采用分立元件搭建固定增益放大电路。
使用NPN型三极管2SC3355组成的共基极放大电路，仅有电压放大作用，高频特性好，可用于高频或宽频带低输入阻抗的场合，但电路调试较为复杂，稳定性较低。
方案二：
采用集成芯片THS3202，该芯片为电流反馈型，具有高带宽、低噪声等特点，且电路设计简单，精度较高，能够很好的实现题目要求。
综上所述，考虑电路的难易程度以及低噪声、高带宽等要求选用方案二。
三、理论分析与参数计算
1.增益带宽积
按照题目要求，信号通频带为0.3kHz~100MHz，最大增益Av≧60dB，则增益带宽积为
，系统选用THS3202芯片的增益带宽积为2G，采用分级放大的方式使放大器整体增益超过60dB，
2.抑制直流零点漂移
本系统放大部分主要由固定增益电路、可控增益电路组成，由于系统为射频宽带放大器，所以各级之间采用电容耦合方式，另外，实际设计电路时，输出漂移较为明显，可采用放大电路反向级联输入，有效的抑制了零漂。
3.射频放大器的稳定性
设计电路中多级高增益放大器一般会产生自激，故系统在设计时，除了采用负反馈电路保证稳定性之外，模块电路间还使用了同轴电缆，并且采用屏蔽盒对系统进行多点屏蔽。
实验证明，有效地增加了放大器的稳定性。
4.通频带内增益起伏控制
本设计使用的可控增益芯片AD603的增益误差在90MHz的通带内小于±0.5dB，THS3202在100MHz以下的起伏小于0.1dB,当增益为30dB时，100MHz通频带内增益起伏小于0.1dB,且THS3020具300MHz带宽的0.1dB增益平坦度，均满足题目指标要求。
5.增益分配及调整
本系统要求最大增益≧60dB，固定增益设计为30dB时，结合可控增益电路实现系统增益手动连续可调。
可控增益放大器采用AD603为核心，选取通频带为90MHz，增益为-10~+30dB的典型接法（见附录1），实现20~60dB可调，再利用一组衰减网络将增益衰减30dB，实现系统在0~60dB间可调。
四、系统电路与程序设计
1.固定增益放大电路
本系统的固定增益放大电路部分的增益设置为30dB，电路图如图2所示，前级采用电压跟随器，具有缓冲、隔离功能，其同相输入端接50Ω电阻至地，使输入电阻满足题目50Ω要求。
考虑到本系统通频带为0.3MHz~100MHz，输出噪声电压峰峰值UoNpp小于100mV，运算放大器选用低噪声高增益带宽积的双运放芯片THS3202，其增益带宽积为2GHz，为保证带宽，故单级电路的放大倍数不能设置很高，故采用多级交流耦合放大电路来实现。
图2固定增益放大电路
增益带宽积：
采用THS3202芯片，其开环增益带宽积为2GHz，为满足系统最大通频带为100MHz的要求，由THS3202构成的单级闭环放大器的最大增益不能大于
。
由大信号频率响应图（见附录2）可知，当单级闭环增益10dB时，通频带为200MHz，满足通频带带宽的设计要求。
2.通频带选择电路的设计
通过对继电器LS1和LS2触点的控制实现了系统通频带1MHz~15MHz和1MHz~80MHz两个范围预置且电压增益起伏小于1dB，如图3所示。
系统默认选择0.3MHz~20MHz通频带。
通过键盘选择通频带，当单片机分别向三极管Q2和Q3的基极送高电平时，继电器的触点动作，使输入信号V2经100MHz的低通滤波器输出，即实现了预置0.3MHz~100MHz的通频带。
图3通频带选择网络
3.辅助电路设计
电源电路：
利用三端稳压器LM7815、LM7915、LM7805和LM7905自制电源可提供±5V、±15V的电压，满足各模块电路及单片机的供电。
键盘电路：
本设计采用4*4矩阵键盘电路，主要实现预置增益、5dB增益步进、通频带选择以及增益调节方式选择等功能。
显示电路：
本系统使用彩屏显示电路实现带宽、增益和增益调节方式的显示，彩屏的驱动电路在模块内已有集成，且外围电路设计非常简单，占用较少的单片机I/O口。
4.系统程序设计
本作品采用ICCV7forAVR软件为开发平台，C语言为程序设计语言，主函数流程图如图4所示。
主函数循环中，系统初始化后扫描键盘，判断是否有键按下，根据键盘指令调节增益和选择通频带，最后由彩屏显示，并返回再循环。
五、系统测试与数据分析
1.测试条件与测试仪器
系统测试需在室温且无强磁场干扰条件下进行，测试仪器设备如表1所示。
表1测试使用的仪器设备
序号
名称、型号、规格
数量
备注
1
数字示波器
1
LeCroy
2
函数信号发生器EE16428
1
南京新联电子设备有限公司
3
LY1211频率特性测试仪
1
徐州龙宇电子仪器有限公司
4
数字万用表UT58E
1
UNI-T
2.测试方法与结果
（1）输入阻抗电路测试。
所示放大电路的输入电阻为Ri，R为已知阻值的外接电阻，用毫伏表测出Vi和Vs，则有
调整测试电压Vs使输出电压Vi=10V,改变R的阻值，取多次测量的平均值。
表2输入电阻测试表
次数
R/Ω
Vi/mV
Vs/mV
Ri/Ω
误差%
1
98
19.7
58.8
49.4
0.8%
2
98
19.3
58.4
48.4
3.2%
3
98
19.9
58.6
50.4
0.8%
结论：
由上表的测试结果得，输入电阻为49.4Ω，基本满足输入阻抗50Ω的要求。
（见附录4（图1））
（2）输出阻抗电路测试。
放大器输出电阻为Ro，RL为负载电阻，分别测出负载开路时的输出电压
和带上负载时输出电压
，则有
开关S断开测量空载电压
，开关闭合测量输出电压
，改变RL的阻值，取多次测量的平均值。
（见附录4（图2））
表3输出电阻测试表
次数
R/Ω
/V
/V
RL/Ω
误差%
1
50
417
205
51.7
3.4%
2
50
412
203
51.5
3.0%
3
50
408
209
47.6
4.8%
结论：
由上表的测试结果得，输出电阻为50.27Ω，满足输出阻抗50Ω的要求。
（3）最大输出正弦波电压有效值测试。
输入端Ui加入频率为5MHz的正弦波，在输入电压有效值为20mV，测得输出最大不失真正弦波电压有效值Uo=400mV。
（见附录4（图3））
（4）增益调节测试。
通过手动连续调节电压增益，在输入信号40MHz的条件下，完全达到0~20dB调节的要求。
（5）输出噪声测试。
增益调至60dB档，输入端短路，测得输出电压峰-峰值在89mV~99mV间波动，满足发挥部分要求VoNpp≤100mV。
（6）频率特性测试。
因高频信号源不能保证在不同的频段内有相同的有效值，故在每次测试前，必须调节信号源有效值，使其稳定在20mV，再测量输出信号的幅值，由公式
得实际电压增益，测试结果如表4所示。
表4频率特性测试表
频率/kHz
300
500
700
900
输出/mV（有效值）
137.5
147.9
158.3
184.9
增益/dB
16.7
17.3
19.7
19.3
频率/MHz
1
5
15
20
输出/mV（有效值）
178.2
205.2
215.8
140.7
增益/dB
19.0
20.2
20.7
16.9
结论：
由上表测试结果得，当输入信号频率为300kHz~1MHz时，系统增益有起伏；当输入信号的频率为1MHz~15MHz时，电压增益起伏小于1dB；当输入信号的频率大于20MHz时，增益有所下降，但满足题目基本要求。
（见附录4（图4））
六、结论
本系统以ATmega128为控制核心，基本达到题目要求，实现电压增益≧60dB,且在0~60dB范围内可调，当电压增益≧60dB时，输出噪声电压的峰峰值≦0.1V，输入输出阻抗在50Ω左右，阻值误差≦5%，系统的3dB通频带在1~15MHz和1~80MHz之间变换内电压增益起伏≦1dB，最大输出正弦波有效值≧1V等要求。
不足之处在于未能实现带宽为100MHz，且由于高频信号发生器本身的精度不够无法实现输入电压有效值≦1mV，另外通过单片机拓展了电压增益步进调节的方式，选用低噪声、宽频带的集成芯片和自制线性稳压电源，最大程度的降低误差，提高电源效率，使用彩屏显示，具有良好的人际界面，方便测试时观察。
附录
附录1：
AD603通频带为90MHz的典型接法
附录2：
THS3202幅频特性曲线
附录3：
系统实物图
附录4：
测试结果图
图1输入阻抗测试电路图
图2输出阻抗测试电路图
图3输出正弦波图
图4频率特性图
附录5：
总体电路图
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