2013年国赛一等奖-射频宽带放大器.docx

射频宽带放大器（D题）作者：郭培培 韩家斌 茹田力（中国地质大学（武汉）赛前辅导教师：赵 娟 文稿整理辅导教师：赵 娟摘 要本系统由宽带放大器OPA847、压控放大器VCA824和电流型运放OPA695组成。系统前级通过OPA847实现10倍固定增益放大，中间级由压控放大器VCA824实现0.055V/V增益变化，后级由OPA695和继电器实现525V/V增益变化，末级由电阻网络进行10倍衰减，达到0dB60dB增益范围可调。系统采用屏蔽盒进行电磁屏蔽，提高稳定性和抗干扰能力。经测试，系统达到了题目所设定的所有指标。关键词：射频放大器，VCA824，OPA847，OPA695 AbstractThe system is designed with a broadband amplifier OPA847, Voltage controlled amplifier VCA824 and current-feedback operational amplifier OPA695.In the first stage, the system can achieve 10 times fixed-gain by OPA847.Then, in the intermediate stage, it uses VCA824 to achieve 0.05 5V / V gain range. In the latter part, the system achieves 5 25V / V gain variation by OPA695 and relays. In the last stage, the system achieves 10 times attenuation by the resistor network, so that the overall gain can be adjusted in the range of 060dB. In order to improve the stability and anti-jamming capability, the system uses the shield case to carry electromagnetic shielding. According to the test, all the indicators of the topic have reached .Keywords：RF broadband amplifier，VCA824，OPA847，OPA6951、 方案论证1. 60dB增益设计方案一：采用三极管实现。采用开环增益低的三极管，级内反馈，避免大环反馈，容易处理，且三极管放大电路频率响应较好。方案二：宽带运放实现。采用高带宽，大压摆率的宽带运放实现60dB放大。由于运放由于具备高开环增益、高输入阻抗和低输出阻抗，所以由运放构成的放大器电路具备更好的线性，但由于运放的高开环增益以及反馈机制的存在，运放电路的频响一般较差。方案一采用三极管放大，具有很好的频率响应，但由于分立元件，在高频小信号传输时会引入很大噪声，造成系统不稳定。方案二虽然集成运放的频率响应较差，但集成运放具有很好的稳定性，且增益易于控制。综合考虑，本次设计采用方案二的方式实现60dB放大增益。2. 放大增益可调设计方案一：固定增益与电阻网络衰减。通过前级放大电路进行固定增益放大，后级由电阻网络衰减，如电位器，实现060dB范围内增益可调。方案二：采用压控放大器。采用压控放大器(VCA)，其增益可有外部电压控制，实现一定范围内增益步进可调。方案一采用电阻网络衰减，电路结构简单，易于实现。但由于系统输入信号为1M100MHz，在高频信号下，电阻的特性发生改变，使其具有电感和电容的性质，对信号造成很大干扰。方案二采用VCA实现增益可调，但由于运放带宽及增益限制，调节范围较小。综合考虑，本次设计采用方案一和方案二结合的方式，前级采用固定增益变化，后级由VCA控制，实现放大增益可调。3. 系统框图本系统由OPA847单级放大10倍，中间级通过压控放大器VCA824实现0.055V/V倍增益控制，后级电路通过OPA695实现5倍固定增益，末级由继电器切换进行5倍增益放大和10倍电阻网络衰减。系统框图如图1所示。图1 系统框图2、 理论分析与计算1. 宽带放大器设计通过方案论证，宽带放大器采用集成运放实现。题目发挥部分要求输入信号有效值Uin1mV时，输出电压有效值Uo1V，即峰峰值为Upp2.828V，频率为100MHz时下降3dB，则末级运放压摆率为： SW2100M2.828V=1776V/s （1）同时，题目要求电压增益60dB，输入信号频率为100MHz，则若采用单级放大，要求运放增益带宽积为：GBP=1000100M=100G （2）目前运放无法实现单级放大60dB，因此本系统采用多级放大实现60dB增益可调。前级采用固定增益，由宽带高压摆率运放OPA847实现10倍增益。中间级通过压控放大器VCA824实现0.055V/V增益可调。VCA824带宽为350MHz，增益范围040dB范围可调，可完全达到题目指标要求。后级由继电器切换，实现最终060dB范围可调。2. 频带内增益起伏控制本系统前级固定增益放大，根据OPA847Datasheet提供，其增益为G=12时，带宽高达600MHz，可达到题目发挥部分要求“1MHz80MHz范围波动60测试结果/mV1.5100.11005.01200.1波形质量抖动无失真无失真无失真通过测试结果表1可以看出系统实现了基本要求部分输入信号有效值Ui20mV，输出信号有效值Uo200mV指标要求，且系统可实现020dB范围内增益可调。通过测试结果表2可知系统达到了发挥部分输入信号有效值Ui1mV，输出信号有效值Uo1V指标要求。系统增益可在0dB60dB范围内可调，且增益范围60dB。同时，根据测试结果可以得到，系统增益在0dB时，输出波形质量有些许抖动，但无明显失真，在10dB后，系统输出信号质量较好，波形稳定区失真。输出波形失真是由于在低增益时，输入信号为微弱高频小信号，很容易受外界干扰，且由于频率范围较宽，示波器采样等也会带来一些影响。（2） 放大器BW-3dB带宽测试根据测试方案，放大器BW-3dB测试结果如表3所示。表3 放大器BW-3dB测试结果测试条件Ui=1mV，增益60dB频率设定/MHz0.120.31105080100频带增益/dB57.258.060.360.059.560.158.0增益起伏/dB2.82.00.300.50.12.0注：增益起伏=频带增益-设定增益从测试结果可以看出，系统在1M100MHz内，输出信号幅值最大时对应增益为60.3dB，输出信号幅值最小时对应增益为59.5dB，则根据题目要求，频带内增益起伏为： =Umax-Umin=60.3-59.5=0.8dB1dB （6）通过计算，系统在0.3M100MHz频带内，系统增益起伏满足题目指标要求。同时，可以根据测试表格，得到系统增益下降3dB时，对应下限频率100MHz，达到了题目的带宽要求。（3） 输出噪声电压测试根据测试方案，在增益为60dB时，通过示波器观测，系统输出噪声峰峰值为80mV，满足题目的“小于100 mV”要求。且本设计通过屏蔽盒，将作品与外界环境进行隔离，则系统主要噪声来源为供电电源引入的工频干扰和屏蔽不彻底带来的电磁干扰。参考文献1 全国大学生电子设计竞赛组委会.全