一種增益可控射頻放大器的設(shè)計與實現(xiàn)

郭小鳳1,劉 帥,李楠楠,宋洪葉

（山西農(nóng)業(yè)大學信息科學與工程學院，山西晉中,030800）

一種增益可控射頻放大器的設(shè)計與實現(xiàn)

郭小鳳1,劉 帥2,李楠楠2,宋洪葉2

（山西農(nóng)業(yè)大學信息科學與工程學院，山西晉中,030800）

該系統(tǒng)是由寬帶放大器OPA842、可變增益放大器VCA824以及電流型運放THS3202組合而成的增益可控射頻放大器，可實現(xiàn)12dB~40dB增益步進可調(diào)。系統(tǒng)由三級構(gòu)成。OPA842實現(xiàn)兩倍固定增益放大構(gòu)成前級放大器，對輸入信號做放大處理。中間級電壓增益控制和增益步長控制電路由VCA824通過DA模塊實現(xiàn)。末級由THS3202實現(xiàn)功率放大輸出。該系統(tǒng)使用同軸線輸入信號，最大限度地降低外部干擾。經(jīng)測試，整個系統(tǒng)性能穩(wěn)定，控制效果好。

OPA842；VCA824；射頻放大器；可變增益放大器

0 引言

現(xiàn)代電子和無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，使射頻放大器在各個領(lǐng)域尤其是通信領(lǐng)域的重要作用日益突顯。射頻放大器已廣泛應(yīng)用于視頻放大器、RFID閱讀器、波形發(fā)生器、測控、醫(yī)療設(shè)備的RF信號鏈電路中以及寬帶通信、雷達通信等場合。設(shè)計出一種增益步進可調(diào)、抗干擾能力強、調(diào)節(jié)范圍大的射頻放大器既是科技創(chuàng)新的需要，又能滿足電子技術(shù)發(fā)展的應(yīng)用需求。為此，本文以德州儀器公司的寬帶放大器OPA842和可變增益放大器VCA824為核心，設(shè)計一種增益可控射頻放大器，通頻帶范圍為60M~130 MHz，可對有效值不大于20mV的輸入信號進行放大，電壓增益可以達到52dB，且可實現(xiàn)40dB范圍步進調(diào)節(jié)，且增益絕對誤差不大于2dB。

1 射頻放大器主要技術(shù)指標

2 系統(tǒng)方案

2.1 固定增益放大器

放大器通頻帶不窄于60M~130 MHz，且在75MHz~130MHz頻率范圍內(nèi)增益波動不大于2dB，因此前級使用固定增益放大器進行寬帶放大，并且選用TI公司的寬帶低失真單位增益穩(wěn)定的電壓反饋運算放大器OPA842，OPA842是一種可以滿足高動態(tài)范圍的寬帶低噪運算放大器。

2.2 可變增益放大器

可變增益放大器選擇條件為高帶寬、高增益調(diào)節(jié)范圍和低噪聲。可以采用模擬乘法器AD835 與寬帶放大器AD8009共同組成可變增益放大器，可以實現(xiàn)約150MHz的帶寬和大于20dB的增益調(diào)節(jié)范圍，但是AD835具有50nV/的輸入噪聲，輸入噪聲較高；而VCA824帶寬420MHz，增益調(diào)節(jié)范圍大于40dB，且V/V線性可變，因此本系統(tǒng)采用兩級VCA824級聯(lián)的方式組成可變增益放大器，然后通過調(diào)整DA轉(zhuǎn)換器的基準電壓進行增益調(diào)節(jié)。

2.3 總體方案

圖1 放大器電路原理框圖

根據(jù)分析，射頻放大器系統(tǒng)的總體方案框圖如圖1所示。

3 理論分析與計算

3.1 增益可控射頻放大器的設(shè)計

3.1.1 增益帶寬積

本題發(fā)揮部分要求至少200MHz的上行帶寬和至少52dB的增益，故而系統(tǒng)的增益帶寬積GBW≥77.8GHz。

3.1.2 輸出壓擺率

3.1.3 輸出功率

系統(tǒng)要在50Ω負載情況下提供2V有效值輸出，故而輸出功率P=80mW，在放大器輸出阻抗為50Ω的情況下，末級放大器應(yīng)具備有效值電流I=40mA的電流輸出能力，即需要±56.4mA的電流輸出能力。

本設(shè)計功率輸出使用THS3202放大器，THS3202具有2GHz的單位增益，在±12V供電下，可以保證380MHz的0.1dB增益平坦帶寬，滿足系統(tǒng)所需的高增益帶寬積和增益平坦度。同時，此放大器具有9000V/μs的壓擺率，遠遠超出系統(tǒng)所需指標。其最大輸出電流-115mA~+115mA，可以輕松提供系統(tǒng)所需的功率輸出。

3.2 頻帶內(nèi)增益起伏控制

對于頻帶內(nèi)增益起伏的控制，選用方案通過兩種方法共同作用來保證頻帶內(nèi)增益平坦。首先，使用增益平坦度較高的放大器來進行級聯(lián)設(shè)計，選用具有56MHz的0.1dB增益平坦帶寬，滿足1dB衰減點大于300MHz的放大器OPA842；可控增益放大器選用具有135MHz的0.1dB增益平坦帶寬VCA824；THS3202具有380MHz的0.1dB增益平坦帶寬。所選放大器均具有遠高于系統(tǒng)要求的增益平坦帶寬，從而可以保證放大器的帶內(nèi)增益平坦。其次，在放大器級間插入阻容元件，對放大器進行匹配，從而優(yōu)化放大器的傳輸參數(shù)，同時減少電路分布參數(shù)對放大器的幅頻特性影響。

3.3 射頻放大器穩(wěn)定性

系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于系統(tǒng)的反饋條件，通常使用波特判據(jù)和奈奎斯特判據(jù)進行穩(wěn)定性分析。本設(shè)計方案采用以相位裕度為判別依據(jù)的波特判據(jù)來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即要求增益為0dB時相位裕量大于0度。為增強系統(tǒng)的抗干擾能力，通過級間傳接電阻、增加電流型運放的反饋電阻，合理設(shè)計PCB板減小分布參數(shù)影響等方法，提高系統(tǒng)的相位裕度，保證相位裕度大于60度，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的高穩(wěn)定性和良好的相位特性。除此之外，設(shè)計采用良好的電源去耦、合理鋪地和信號屏蔽。對于鋪地設(shè)計，通過對整個系統(tǒng)實行大面積鋪地，以降低地阻抗，提高穩(wěn)定性。

3.4 增益調(diào)整

由于普通可變增益放大器的增益調(diào)整范圍不超過40dB，無法完成系統(tǒng)所需的52dB增益調(diào)節(jié)范圍。在此，設(shè)計采用兩級40dB的可變增益放大器。固定增益放大器級間設(shè)置6dB的π型衰減網(wǎng)絡(luò)，通過兩個40dB的可變增益放大器和兩個6dB的π型衰減網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)要求的52dB。

4 硬件電路和軟件設(shè)計

4.1 硬件電路設(shè)計

4.1.1 固定增益放大器的設(shè)計

本系統(tǒng)共采用兩個固定增益放大器模塊，兩級增益均設(shè)定為6dB。為實現(xiàn)高帶寬和高通帶平坦度，兩級固定增益放大器均采用電壓型運算放大器OPA842構(gòu)成的同相放大器。為盡可能擴展放大器通頻帶，同時又要保證電路穩(wěn)定性，經(jīng)測試，選取402Ω作為OPA842反饋電阻，可將放大器性能發(fā)揮到最佳。

圖2 固定增益放大器電路設(shè)計

4.1.2 可變增益放大器的設(shè)計

可變增益放大器采用VCA824以實現(xiàn)40dB的增益調(diào)節(jié)范圍和730MHz的帶寬。為提高放大器穩(wěn)定性，控制電壓端設(shè)計專門驅(qū)動電路，同時VCA824輸出級接固定增益放大器以擴展輸出能力，提高系統(tǒng)最大增益。

圖3 可變增益放大器電路設(shè)計

4.1.3 衰減網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計

本設(shè)計通過衰減網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)增益切換。為盡可能降低噪聲，衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計在每級固定增益放大器之后，并進行阻抗匹配，以獲取最佳噪聲特性和頻率響應(yīng)。衰減網(wǎng)絡(luò)采用π型衰減網(wǎng)絡(luò)。

4.1.4 電源電路設(shè)計

為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，電源的穩(wěn)定性和相互串擾非常值得關(guān)注。本設(shè)計中，選取LM317與LM337可實現(xiàn)單電源+12V調(diào)整為±5V，并選用開關(guān)電源提供放大電路中所需要的±12V。開關(guān)電源是利用電子開關(guān)器件（如晶體管、場效應(yīng)管、可控硅閘流管等），通過控制電路使電子開關(guān)器件不停地“接通”和“關(guān)斷”，讓電子開關(guān)器件對輸入電壓進行脈沖調(diào)制，從而實現(xiàn)DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調(diào)和自動穩(wěn)壓。

4.1.5 主控制器設(shè)計

選用基于STC89C51單片機對系統(tǒng)進行增益控制。單片機主要完成以下功能：通過DA模塊壓控增益，對放大器增益進行預(yù)置和控制，并將增益信息顯示在顯示屏上。

4.2 軟件程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件顯示友好的人機界面，使用STC89C51單片機作為整個系統(tǒng)的控制核心，采用非線性補償?shù)姆椒▽崿F(xiàn)增益誤差校正，控制PCF8591輸出可控增益放大器所需控制電壓，單片機數(shù)控實現(xiàn)增益步進長為4dB，具有液晶屏顯示和帶寬設(shè)置等功能。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

5 測試方案和測試結(jié)果

測試儀器選用RIGOL 500MHz的4G四路數(shù)字示波器、AGILENT E4401B 頻譜分析儀、RIGOL兩路DG4162雙路函數(shù)信號發(fā)生器、AGILENT E4438C高頻信號源和數(shù)字超高頻毫伏表。

5.1 放大器增益調(diào)節(jié)范圍測試

用高頻信號源產(chǎn)生10MHz單頻點信號，有效值分別為1mV、5mV、10mV、20mV，接入放大器。放大器輸出負載為50Ω，測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)

從測試數(shù)據(jù)可以看出，信號增益程控可調(diào)，最大增益誤差達到0.7%。

5.2 放大器通頻帶測試

設(shè)置輸入有效值為10mV的電壓信號，預(yù)置增益80dB，利用點頻法測試放大器通頻帶內(nèi)是否平坦，測試結(jié)果如表2所示。

表2 測試數(shù)據(jù)

由測試數(shù)據(jù)可知放大器3dB下限截止頻率遠小于60kHz，3dB上線截止頻率遠大于130MHz，因此能基本實現(xiàn)系統(tǒng)的指標要求。

5.3 增益步進控制測試

設(shè)置增益范圍為12dB~40dB，初始設(shè)置為12dB，控制按鍵輸出增益變換，測試結(jié)果如表3所示。

表3 測試數(shù)據(jù)

觀察測試結(jié)果可知通過對步長增益調(diào)整，輸出增益變化與實際步長增益結(jié)果誤差最大不超過2.0dB，較好的實現(xiàn)了步長變化控制。

5.4 放大器輸入、輸出阻抗

用DDS信號源輸出有效值20mV、頻率500KHz的正弦信號，預(yù)置增益20dB，用示波器測量放大器輸入端信號有效值，空載時輸出有效值和帶50Ω負載時輸出有效值，測試結(jié)果如表4所示。

表4 測試數(shù)據(jù)

通過測量放大器輸入端信號的有效值，并比較空載時和帶50Ω負載時的輸出有效值，可知該系統(tǒng)的輸入、輸出阻抗為50Ω。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計的增益可控射頻放大器利用STC89C51單片機作為整個系統(tǒng)的控制核心，采用非線性補償?shù)姆椒▽崿F(xiàn)增益誤差校正，控制PCF8591輸出可控增益放大器所需控制電壓，單片機數(shù)控實現(xiàn)增益步進長為4dB，具有液晶屏顯示和帶寬設(shè)置等功能，系統(tǒng)地使用了較多的模擬和數(shù)字搭配電路，設(shè)計出的放大器滿足預(yù)期指標，整個系統(tǒng)性能穩(wěn)定，控制效果好，且實用性強，具有很重要的現(xiàn)實意義。

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Design and implement of a program controlled gain radio frequency amplifier

Guo Xiaofeng1,Liu Shuai2,Li Nannan2,Song Hongye2
(Institute of Information Science and Engineering,Shanxi Agricultural University,Jinzhong,030800)

The system composed of broadband amplifier OPA842,variable gain amplifier VCA824 and current gain amplifier THS3202 is controllable RF amplifier gain.Rf amplifier gain can be adjusted step-by-step from 12dB to 40 dB. The system consists of three level.Prime amplifier competed by OPA842 realizes 2 times fixed gain amplification to enlarge the input signal.Intermediate level gets command of voltage gain and gain step length by VCA824 and DA model.The last level implemented power amplifier output through THS3202. The input signal is given by coaxial line and reduce the external interference to the limit.After testing, the whole system has stable performance and good control effect.

OPA842;VCA824;RFamplifie;Variable gain amplifier

TN911

A

郭小鳳(1987－),女（漢）,陜西省寶雞市扶風縣人,助教，碩士,f主要研究方向為信號與信息處理

豬行為監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究工作，項目編號（20142-19）；