2015年全国电子设计大赛放大器报告(DOC)

1、2015年全国电子设计大赛放大器报告(DOC)摘要：该设计通过前置放大， 程控放大和后级放大三级放大能将 130M 的高频小 信号放大 52dB 以上。信号先通过 LMH5401 进行前级差动放大，再利用单片机 MSP430f5529 与数模转换器 DAC7571 控制 VCA821 实现程控增益放大， 末级通 过高速宽带运放THS4303输出以驱动50Q的负载，实现输出电压有效值大于 2V。关键词： 射频放大器 程控放大 MSP430F5529 VCA821一、系统方案论证1、前置放大器模块的论证与选择方案一 用TI芯片OPA847搭建同相放大电路。OPA847有很宽的带宽，可 以满足本题目

2、所要求的宽带增益放大。但是 OPA847勺圧摆率不够高，可能会导 致输出信号的失真。方案二用THS4303做前级放大，THS4303的圧摆率能达到5500V/卩且它 的带宽高，能较好的对高频小信号进行放大。但 THS4303是增益固定为10V/V 的放大器，增益固定不可调。考虑到整体电路的增益分配 10V/V 的增益不符合 我们所需的前级放大倍数。方案三用差分放大器LMH5401(做前置放大模块，LMH5401的圧摆和带宽均 能达到要求，有低噪声低功耗的特点，同时它在 SE-DE 或差分到差分 (DE-DE) 模式下工作时产生的二次谐波和三次谐波失真非常低。所以用它来做前置放大 效果很好。综上

3、选择方案三。2、电源模块的论证与选择方案一用稳压芯片TPS735Q TPS7325及 TPS72325结合，将12V的直流 电源转换得到所需电压。TPS7350 TPS7325 TP72325均是低压稳压芯片，它们 分别可提供+5V, 2.5V和-2.5 V的固定电压输出，但这种方案不能得到-5V的 电压输出，不能对放大器进行+5V供电。方案二用放大器芯片OPA847与稳压芯片TPS7350 TPS7325相结合，得到 多种输出电压，这种方法芯片较多，电路较复杂，但可得到所需的电压，且提 高了电源效率。所以选择方案二。3 、程控模块的论证与选择方案一 用可变增益放大器 LMH6401与单片机相

4、结合来控制增益变化。LMH6401是一款步长为1dB的差分数字可变增益放大器，可用SPI通信接口控制 其增益变化。但LMH6401的增益范围为-6dB至24dB,单片LMH6401不能满足本 题中增益范围为1240dB的要求，需要两片串联使用，但 LMH6401的价格较为 昂贵所以此方案成本较高。方案二用压控增益芯片VCA821与单片机结合控制增益变化。VCA821是一 款有较高的圧摆率和带宽的 dB线性可变增益放大器。用单片机的DAC控制VCA821的引脚电压改变来控制整体增益，且其最大增益可通过设置电阻值来设 定，所以可满足本题中40dB线性增益的变化。综上选择方案二。4、 后级放大此处我

5、们用THS4303搭建固定增益放大电路做后级放大。THS4303是固定增 益为10的放大器，它还具有圧摆率高，频带宽的特点。尤其是 10V/V的固定增 益使得整体电路较为稳定，适合作为后级放大。5 滤波模块方案一 用电容器和电感搭建无源的高通滤波器。此种方法元器件较少成本 低，电路结构简单，且对谐波的抑制效果较好。但是此种方法电能损耗大而且 在射频情况下滤波器受系统参数影响较大，可能会造成系统工作不稳定。方案二用OPA847放大器搭建有源高通滤波器。用 OPA847与电容和电阻一 起构成二阶有源高通滤波器，与无源滤波相比它有更好的可控性和快速响应的 特点，且它的滤波特性不受系统阻抗的影响，可消

6、除在射频情况下与系统阻抗 发生谐振的危险。综上选择方案二。二、理论分析与计算1 、射频放大器的设计放大器的增益分析：VCA821是一款压控dB线性增益放大器，其增益范围可根具电路自行设定。 如图一所示，其中增益范围由 RF和RG的比值所决定，如下式：RfG 2 -Rg此处设定其最大增益为 32dB,经计算可取RF=20(n，RG=12.5Q，贝U当Vg 的电压在02V之间变化时，其增益在小于一20dB32dB间线性变化。% I二Xvwi图1程控放大电路VgiVrwfGND1 VS3252dB，增益控制范围为12dB40dBo贝U 电路中的其余电压增益至少应大于20dB,考虑到实际电路中的增益损

7、耗此值应该偏大。因为VCA821的输出电压过大会产生失真，所以不能将所有增益均加到 前级。所以可采用如下增益分配：前级放大采用LMH5401所构成的差分放大电路，放大倍数为 8V/V(18.06dB)，后级放大采用固定增益为10V/V (20dB)的THS4303所构成的放大电路。则前级和后级所组成的总增益为80V/V(38.06dB) 能在所有芯片的输出电压范围内达到所要求的放大倍数。2、频带内增益起伏控制通频带定义：在信号传输系统中，系统输出信号从最大值衰减3dB 的信号频率为截止频率，上下截止频率之间的频带称为通频带，用BW表示。通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。下限

8、截止频率 fL ：在信号频率下降到一定程度时，放大倍数的数值明显下 降，使放大倍数的数值等于 0.707 倍的频率称为下 限截止频率 fL 。上限截止频率fH :信号频率上升到一定程度时，放大倍数的数值也将下降， 使放大倍数的数值等于 0.707 倍的频率称为上限截止频率 fH。通频带fbw: fbw = fH fL。此处为达到题目要求在 50MHz160MHz频率范 围内增益波动不大于 2dB。3、射频放大器的稳定性放大器的稳定性受许多因素的影响，如零点漂移，自激振荡，电源纹波，PCB布局布线不当等都会影响放大器工作的稳定。零点漂移：零点漂移是指当放大电路输入信号为零时， 放大器工作时会发热

9、， 使其工作温度变化。由于受温度变化，电源电压不稳等因素的影响，使静态工 作点发生变化，并被逐级放大和传输，导致电路输出端电压偏离原固定值而上 下漂动的现象。显然，放大电路级数愈多、放大倍数愈大，输出端的漂移现象 愈严重。严重时，有可能使输入的微弱信号湮没在漂移之中，无法分辩，从而 达不到预期的传输效果。为了抑制零点漂移我们在此选用差动放大器 LMH54和VCA82来构成差动放 大电路，此种方法能较好的抑制零点漂移。自激振荡：自激振荡是指不外加激励信号而自行产生的恒稳和持续的振荡。如果在放大器的输入端不加输入信号，输出端仍有一定的幅值和频率的输出信 号，这种现象就是自激振荡。为了消除这一现象，

10、采用频率补偿的方法，在放大器的反馈电阻处并接一较 小的电容。电源纹波：在高频小信号放大中电源纹波会影响信号的稳定，此时在电源处并接一个22pf的瓷片电容和一个6.8卩f的电解电容可大大减少电源纹波。PCB制作：芯片工作在高频时对 PCB勺走线要求较高，为了减少因 PCB布局 不当对信号造成的影响，在布局走线时尽量按照芯片手册上 PCB走线，使其对 信号的干扰最小。4、增益调整本题中要求增益控制范围为12dB40dB,增益控制步长为4dB。因为系统 是通过VCA821来改变增益，VCA821的控制端电压从02V变化时，放大器的增 益也线性变化，此处是从-20dB33dB线性变化。要达到步长为 4

11、dB只要通过单 片机的DAC1出相应电压值至VCA821的电压端，从而使得系统增益步进变化。三、电路与程序设计系统的整体框图如下所示：前LMH5401单片机MSP430F5529液晶屏图2系统整体框图系统采用单片机MSP4303F5529为核心。输入信号经过前级放大，压控放大和后级放大能实现大于52dB的增益放大。通过触摸屏可步进增加增益，同时显示当前增益，单片机根据设定的增益经D/A转换器调整VCA82控制脚的电压实现整体电压增益的步进变化。1、电源模块设计由于系统所用放大器芯片所需电源种类有 +5V+2.5V所以用放大器芯片OPA847 与稳压芯片TPS7350 TPS7325相结合可得多

12、种输出，电路图如下所示。*15VGNDTPS73SKX)图3电源模块电路SutkiciSo/142iriKit 哼nutUKn4TpsmsooGNOliZs 尿!vlIN OUT in tfKrr(2:丁卜T?ok-*vZEn 应f w out T (MTSLRLS LN S.1- b OLFF r门何二TTPSTJ5OQ1、前置放大电路的设计前置放大采用差模放大的LMH5401单通道输入，双通道输出，每通道放大4倍。查询芯片手册得出当放大倍数为 8的时候各电阻的阻值如下：2、程控放大电路采用压控增益放大芯片 VCA821来设计程控电路，通过单片机控制 DAC控制 引脚电压在02V变化从而实现

13、增益的线性变化。3、高通滤波电路用OPA847来搭建20M的咼通滤波器，以保证当输入信号输入信号频率f 270MHz时，实测电压增益AV均不大于频率 f 20MHz或VS1 520dB。C6l50pTI-* YG10R1 62ToC8-图6咼通滤波电路4、后级放大电路后级放大电路用固定增益为10V/V的放大器THS4303 THS4303有宽频带, 高压摆，输出电流高的特点，适合于做输出放大。*inCQgCCIO图7后级放大电路二、程序设计利用单片机MSP430F552控制DAC的输出电压来控制放大器增益的改变，同时液晶屏显示增益。单片机的工作流程如下，当单片机上电，初始化屏幕显示， 没有触摸

14、屏幕时进入低功耗模式。当检测到屏幕触摸，触发中断，打开中断, 读取触摸位置，判断触摸的是加还是减。之后进行相应处理开始初始化进入低功耗图8软件流程四、测试方案与测试结果1、测试设备环境序号名称、型号、规格数量1DS2202A-S双通道示波器12TPR3005T-3C线性直流稳压电源13DY2106数字万用表14Agile nt信号发生器12、测试方法和结果1、放大器频率特性测量测量方法：输入电压有效值为20mv的正弦小信号，将增益调到最大，在输 出信号无明显失真的条件下逐渐增大其频率，并记录其输出电压值，求出在该 频率点下的电压增益。输入频率(MHZ)105070100输出(V)2.972.9

15、83.23.16放大倍数(dB) 143.543.544.043.97输入频率(MHZ)120130160180输出(V)n3.153.11P 2.842.69放大倍数(dB)43.9743.9643.042.6综上，最大增益约为43.8dB2、频带内增益起伏控制测量方法：输入电压有效值为 20mv的正弦小信号，在频率 75MHZ108MHZ时，固定一个增益值，在该频段内频率连续变化，观察并记录在该过程中的Vpp值最大和Vpp值最小点处的增益值，求其差值看是否小于2dB固定增益值(dB)10203040平均值最大增益(dB)11.620.431.443.9最小增益(dB)9.820.129.8

16、42.0增益差值(dB)1.80.31.61.91.4在75MHZ108MH内频带增益起伏为1.4dB,满足基本要求。4、-3dB通频带测量测量方法：输入电压有效值为 20mv的正弦小信号，固定一个增益值，调节频率，观察并记录在该过程中当增益下降3dB时的上限和下限频率，多次改变增益值。最后看是否满足题目所规定的上下限频率固定增益值(dB)10203040FI(MHZ)52657687Fh(MHZ)120117110100由表可知当电压增益较小时，可满足通频带要求，但随着频率升高，下限频 率逐渐升高，不能满足要求。5、增益步进控制测量测量方法：输入一个有效值为 20mV勺小信号，固定一个频率，让增益步进从最 小增加到最大，测量输出电压的增益，改变频率继续测量。预置增益(dB)-12203040实际增益(dB)-52027.843.4由表格知，当步进为 4dB时不能完全线性变化，但是预置的增益和