基于射頻放大器的開放實驗項目研究與實現(xiàn)

邵陽學(xué)院信息工程系 曹勝果 許建明 申 穎 粟成發(fā) 李 忠

射頻放大器是通信電子線路課程的基本電路，在通信系統(tǒng)、航空航天、軍事等各領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，也是近年來大學(xué)生電子設(shè)計競賽中考核內(nèi)容之一。由于射頻放大器工作頻率高的特點，電路的分布參數(shù)、電路的非線性對PCB設(shè)計和電路的設(shè)計影響很大，在實踐中經(jīng)常出現(xiàn)電路正確，但輸出頻帶不夠、線性度差、無輸出等現(xiàn)象。因此設(shè)計一個性能優(yōu)良的射頻放大器有著重要的實踐意義，本文針對于通信電子線路課程的理論知識在開放實驗設(shè)計了一款性能好、電路簡單、成本低的射頻放大器。

1 基本原理

本開放實驗所設(shè)計的射頻放大器的帶寬要求是在76MHz到107MHz之間的頻率的增益的波動小于2dB；輸入電壓的有效值小于20mV；且要求能夠?qū)崿F(xiàn)增益步進(jìn)增益的范圍在12dB到50dB之間，本實驗的難點是在與增益波動小于2dB。整個系統(tǒng)的整體框圖設(shè)計如圖1所示。主要由前置放大，可控增益放大，后級緩沖放大和單片機D/A組成。系統(tǒng)的前一級通過OPA842實現(xiàn)6dB固定增益放大，中間級由兩級電壓控制放大器VCA824實現(xiàn)放大，在兩個VCA824之間用OPA842作隔離，后級由OPA695實現(xiàn)2倍緩沖固定增益放大。增益的控制部分，采用89C52單片機與12位DA芯片TLV5616結(jié)合并且LM358組成的加法器，用來提供±1V的電壓，用來控制電壓來實現(xiàn)。為了降低紋波系數(shù)，提高信噪比，使用高精度的低紋波的線性電源給放大電路和單片機供電。

圖1 系統(tǒng)總框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 芯片選型

由于本系統(tǒng)是寬帶增益放大器，要求的帶寬比較寬，因此需要選用帶寬增益積非常大的芯片，并且需要多級串聯(lián)實現(xiàn)寬帶放大，單級雖然增益能夠達(dá)到要求，但帶寬比較窄。Anal og Devices Inc公司、Linear Technol ogy公司和TEXAS INSTRUMENTS公司都是比較有名的電子元器件公司，到目前為止，Linear Technol ogy公司作放大器芯片頻率還沒有做到那么高，放大器芯片ADI和TI公司比較多，ADI公司找到了AD8367符合要求，TI公司找到了VCA824也符合要求，但AD8367引腳比較多，運用控制起來比較復(fù)雜，最終VCA824是作為程控放大器的核心芯片選擇。

2.2 阻抗匹配

射頻電路的阻抗匹配對電路輸出影響很大，對電路芯片各級間的級聯(lián)必須要做到阻抗匹配，由于每個芯片的輸入輸出的阻抗都為50歐姆，因此，在開放性實驗的芯片之間可以直接連接。如果是采用不同的阻抗的芯片或者是采用分立元件作為放大濾波電路，就必須注意這方面的問題，如果阻抗匹配不能做好，電路就很容易產(chǎn)生自激、衰減等一些問題。

2.3 前置電路

前置放大芯片選用運算放大器opa842，該芯片工作頻率高于50MHz，帶寬增益積大，可達(dá)400MHz，信號失真非常小，并且是電壓反饋型放大芯片，放大倍數(shù)與反饋電阻成正比，方便計算放大倍數(shù)，如果選普通的運算放大芯片，不僅內(nèi)部噪聲比較大，使放大后的信號失真比較嚴(yán)重，而且?guī)捄皖l率都達(dá)不到要求。前置放大電路的放大倍數(shù)不能太大，放大6dB就足夠了，如放大增益太大，會使帶寬下降明顯。

2.4 中間程控放大

程控放大部分核心芯片選用TI公司的放大芯片VCA824。VCA824是一款線性壓控放大芯片，該芯片應(yīng)用起來比較簡單，只需要給輸入引腳輸入需要放大的信號，給控制放大倍數(shù)的引腳輸入適當(dāng)?shù)碾妷?，就會有輸出；?fù)雜的是指標(biāo)調(diào)整，也就是根據(jù)指標(biāo)來配置VCA824的外圍電路；VCA824的增益控制電壓是-1V到1V，輸出電壓隨著控制電壓的增高而增高，運用運算放大電路構(gòu)成減法器，從而實現(xiàn)輸出電壓-1V到1V連續(xù)可調(diào)，作為VCA824的控制電壓。兩級VCA824中間加入一級由opa842構(gòu)成的跟隨器，可以起到隔離的作用，避免后級的輸出受前級輸出噪聲的影響。

2.5 后級緩沖

后級緩沖電路選用超寬帶電流反饋型運算放大器opa695。該電路既作緩沖器使用，又作為功放電路使用；電流反饋型運放不同于電壓反饋型運放，其放大倍數(shù)與反饋電阻不成線性關(guān)系，所以反饋電阻不能隨便改動，得參考芯片手冊上的數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的程序設(shè)計相對比較簡單，通過設(shè)置按鍵來控制增益的倍數(shù)，并且通過LCD1602來顯示當(dāng)前設(shè)定的增益的大小數(shù)值，并通過A/D轉(zhuǎn)換來顯示當(dāng)前的輸出電壓幅值。其程序整體流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖

圖3 輸入10mV/75MHz仿真圖

圖4 輸入有效值10mV/108MHz仿真圖

表1 數(shù)據(jù)測試表

4 仿真結(jié)果與分析

本實驗經(jīng)過每個芯片組成的射頻放大器，使用TI公司的專用仿真軟件Tina90-TIzh，其仿真圖如圖3和圖4所示。圖3是在輸入信號的有效值為10mV，頻率為75MHz時的仿真圖。圖4是在輸入信號為有效值10mV，頻率為108MHz時的仿真圖。表1是在輸入10mV時的數(shù)據(jù)測試表。經(jīng)過對比和分析圖3和圖4以及表1，本次設(shè)計的射頻放大器完全符合開放性實驗項目的要求。實現(xiàn)了輸入有效值小于20mV，輸出的值大于2V，并且在76MHz到107MHz之間的增益波動小于2dB。

5 結(jié)束語

本設(shè)計利用單片機控制的程控射頻放大器，經(jīng)過實驗證明電路符合設(shè)計要求，具有電路簡單、性能良好、成本低等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中具有較好的應(yīng)用價值。

[1]江世明,許建明,朱群峰,申壽云.單片機原理及應(yīng)用[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2013.

[2]曾興雯,劉乃安,陳建,付衛(wèi)紅.高頻電路原理與分析[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2013.

[3]高吉祥主編.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽培訓(xùn)系列教程—高頻電子線路設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.