射頻寬帶放大器的增益控制設(shè)計(jì)與研究

摘 "要： 該系統(tǒng)是基于高頻寬帶運(yùn)放OPA695和可控增益放大器LMH6502組合而成的射頻寬帶放大器，可實(shí)現(xiàn)0～60 dB連續(xù)可調(diào)。由于OPA695是一款具有超低輸入噪聲電壓信號(hào)的電流型運(yùn)放，所以將其作為前級(jí)放大。LMH6502作為第二級(jí)放大電路可通過(guò)DA控制其增益大小，變化范圍為-40～20 dB。最后一級(jí)經(jīng)OPA695進(jìn)行信號(hào)的總體放大，使其總增益可達(dá)到60 dB以上。調(diào)零電路使整個(gè)放大器最大程度的減小了直流偏移，并通過(guò)減小電源紋波和使用屏蔽線等方法將噪聲減小到最小。同時(shí)，放大器增益可預(yù)設(shè)，并可將增益同步顯示在LCD上。

關(guān)鍵詞： 射頻寬帶放大器; OPA695; LMH6502; 調(diào)零電路

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34 " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " " " " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2015）06?0136?03

Design and research for gain control of radio frequency broadband amplifier

XIE Jun， SHENG Qing?hua， MAO Li?jian

（School of Electronics Information， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： The RF broadband amplifier is composed of high bandwidth operational amplifier OPA695 and controllable gain amplifier LMH6502. It can continuously adjust the gain from 0 dB to 60 dB. Since the OPA695 is a current operational amplifier with ultra?low voltage?input noise， it serves as a preamplifier. LMH6502， as the second?stage amplifier， can use DA to control the gain whose variation range is -40～20 dB. The final signal is amplified by the OPA695. As a result， the total gain can reach to more than 60 dB. Zeroing circuit reduces the DC offset of the entire amplifier to the maximum degree， and reduces the noise to the minimum by reducing the power supply ripple and using shielded wire and other methods. Meanwhile， the amplifier’s gain can be pre?set， and can be synchronously displayed on LCD.

Keywords： radio frequency broadband amplifier; OPA695; LMH6502; zeroing circuit

0 "引 "言

隨著現(xiàn)代電子和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，射頻寬帶放大器在通信領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，在移動(dòng)通信，雷達(dá)通信，信息對(duì)抗等領(lǐng)域現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用。它常常用于通信設(shè)備接收機(jī)的前端，將通信設(shè)備接收到的信號(hào)進(jìn)行放大到合適的功率然后送到傳感器進(jìn)行信號(hào)的處理和分析。在射頻領(lǐng)域，傳統(tǒng)的放大器因頻帶窄、增益低等自身特點(diǎn)，往往無(wú)法應(yīng)用。為此，這里以德州儀器公司的LMH6502和OPA695為核心，設(shè)計(jì)一種射頻寬帶放大器，可對(duì)有效值不小于1 mV的交流正弦信號(hào)進(jìn)行放大，該射頻寬帶放大器的頻率為0.3～100 MHz，增益可實(shí)現(xiàn)60 dB范圍調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)精度高，實(shí)用性強(qiáng)，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 "方案論證與比較

1.1 "MCU選擇

方案一：選擇STM32F103RBT6單片機(jī)。STM32F103

RBT6具有2 個(gè)SPI、1 個(gè)USB 、128 KB的FLASH、20 KB的SRAM 、3 個(gè)串口、1 個(gè)CAN、2 個(gè)12位的 ADC、RTC 、51個(gè)可用 I/O 腳，資源豐富，但結(jié)合本系統(tǒng)所用到的資料綜合來(lái)看有點(diǎn)大材小用。

方案二：選擇MSP430G2553單片機(jī)。MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器1996年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集的混合信號(hào)處理器。工作電壓范圍1.8～3.6 V，5種低功耗模式，具有兩個(gè)16位的定時(shí)器、16 KB的FLASH、512 B的RAM、16個(gè)I/O。價(jià)格較低，資源豐富，且易于控制。經(jīng)過(guò)分析選擇方案二。

1.2 "寬帶放大器選擇

方案一：OPA690對(duì)單位增益穩(wěn)定有很大作用，屬于電壓反饋運(yùn)放，GBW大概為500 MHz，壓擺率為1 800 V/μs，不過(guò)其供電電壓范圍很低，屬于低電壓的運(yùn)放，單電源供電時(shí)5～12 V，雙電源只有正負(fù)2.5 V到正負(fù)5 V，常用于高速成像通道，ADC緩沖器，便攜式儀器等。

方案二：電壓型反饋放大器的帶寬隨增益增加而急劇降低，壓擺率常常不足，而電流反饋放大器可以彌補(bǔ)上述不足。OPA695是高增益高帶寬的電流反饋型的運(yùn)算放大器，擁有極高的帶寬，壓擺率為4 300 V/μs，并且擁有極低的輸入噪聲，可很好的隔離噪聲。經(jīng)過(guò)分析選擇方案二。

1.3 "可調(diào)增益放大器選擇

方案一：VCA822是一款直流耦合型寬頻帶壓控增益放大器，按V/V線性變換，最大工作頻帶寬度可達(dá)150 MHz。放大器增益由控制電壓和外圍電阻阻值共同決定，需雙極性電壓控制（-1～1 V），并且容易自激。

方案二：LMH6502是一款寬帶直流耦合差分輸入，按對(duì)數(shù)線性變化的增益可控的高速電流反饋型運(yùn)放，可直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)低阻抗負(fù)載。增益調(diào)節(jié)范圍超過(guò)70 dB，低功耗300 mW并可達(dá)到130 MHz的帶寬且只需單極性電壓（0～2 V）進(jìn)行控制且不易產(chǎn)生自激。綜合考慮選擇方案二。

1.4 "DAC控制可調(diào)增益放大器調(diào)節(jié)方式

方案一：STM32F103ZET6內(nèi)部含有3個(gè)12位DAC，可實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)控，但電流較小，驅(qū)動(dòng)能力較差。

方案二：DAC7512是具有內(nèi)置緩沖放大器的低功耗12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。其接口與SPI接口兼容，因而可與MSP430G2553單片機(jī)直接連接而無(wú)需任何其他接口電路。其可選擇供電電源來(lái)作為參考電壓，具有很寬的動(dòng)態(tài)輸出范圍，在5 V供電電壓下的功耗僅為0.7 mW。綜合考慮使用方案二。

2 "理論分析與計(jì)算

2.1 "寬帶放大器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中使用了OPA695和LMH6502。OPA695為電流反饋型運(yùn)放，擁有極高的增益和帶寬，可有效隔離噪聲。LMH6502為可調(diào)增益放大器，可實(shí)現(xiàn)-40～20 dB的寬范圍調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)共采用三級(jí)電路，第一級(jí)為OPA695構(gòu)成的高增益放大器，增益為23 dB;第二級(jí)通過(guò)單片機(jī)控制高精度的DAC7512來(lái)精確地驅(qū)動(dòng)LMH6502來(lái)調(diào)節(jié)增益，使其增益可調(diào)范圍在-40～20 dB;第三級(jí)通過(guò)OPA695進(jìn)行總的放大，增益為22 dB，足以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.2 "頻帶內(nèi)增益起伏控制

造成頻帶內(nèi)增益起伏的原因很多，其中包括運(yùn)放幅頻響應(yīng)不平坦及供電電源不穩(wěn)定等。為了防止因?yàn)榉糯蟊稊?shù)過(guò)高而使起伏變大，所以我們將電路增加級(jí)數(shù)，將每一級(jí)的放大倍數(shù)變小，這樣可以滿足帶寬及增益要求且減小頻帶內(nèi)增益起伏。

2.3 "射頻放大器穩(wěn)定性

本系統(tǒng)為射頻寬帶放大器，頻率很高，并且放大倍數(shù)較大，為不影響帶寬，采用多級(jí)級(jí)聯(lián)，但是系統(tǒng)穩(wěn)定系易受影響，容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象。為了提高放大器的穩(wěn)定性，必須要將供電電壓濾波，否則容易混入高頻噪聲，這里們通過(guò)屏蔽盒進(jìn)一步對(duì)外界影響進(jìn)行鞏固。系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要取決于系統(tǒng)的相位裕量，所以必須要留有適當(dāng)?shù)南辔辉Ａ?。在本系統(tǒng)中，將高頻信號(hào)部分全部采用雙面板印制，并且采用銅板大面積接地，減小接地回路，電容電阻全部采用貼片封裝，減小元器件影響。

3 "電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 "系統(tǒng)組成

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201506＼現(xiàn)代電子技術(shù)15年38卷第6期＼Image＼26T1.tifgt;

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3.2 "LMH6502增益可調(diào)模塊

LMH6502的直流偏差有兩部分：共模Offset和差模Offset。如圖2所示，將Vin接GND，然后在Vg上輸入一個(gè)方波（低電壓0 V，高電壓2 V），這樣增益就會(huì)在最大和最小之間變化。差模Offset會(huì)隨著增益放大和縮小，共模Offset不變。這樣就會(huì)看到方波。調(diào)節(jié)R10可以將方波部分減小到零，調(diào)節(jié)R14可以將方波下方的直流部分減小到零。

由于Offset會(huì)隨增益變化，所以這個(gè)調(diào)節(jié)方法不能將Offset完全消除，只能最大抑制。不過(guò)高頻電路中常采用AC耦合，所以小的Offset不影響電路性能。另外，需要注意的是共模電壓要正確，共模電壓超出范圍會(huì)導(dǎo)致Offset異常。

4 "測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

測(cè)試儀器包括：SP2271型數(shù)字超高頻毫伏表;SP1501高頻小信號(hào)發(fā)生器;MSO?X3052A示波器;直流穩(wěn)壓電源;負(fù)載電阻R=50 Ω。

lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201506＼現(xiàn)代電子技術(shù)15年38卷第6期＼Image＼26T2.tifgt;

圖2 LMH6502可調(diào)增益放大器圖

4.1 "測(cè)試方案與測(cè)量結(jié)果

測(cè)試方案：輸出級(jí)加上50 Ω負(fù)載，將輸入端短接，測(cè)量輸出端噪聲峰峰值，調(diào)節(jié)放大器增益，測(cè)量不同帶寬，不同增益時(shí)的放大器的幅頻響應(yīng)。

（1） 通頻帶增益測(cè)量測(cè)試，如表1所示。

結(jié)論：由上表可知，頻帶內(nèi)增益特性均達(dá)到要求。

（2） 最大電壓增益及最大增益起伏測(cè)試，如表2所示。

表2 通頻帶增益起伏特性

（3） 輸出電壓噪聲測(cè)量。將增益設(shè)置為60 dB，輸入端短路到地，記錄輸出端電壓峰-峰值VONPP=93 mV。

（4） 放大器輸入阻抗及負(fù)載的測(cè)量。

電路的輸入阻抗為50.3 Ω，電路的負(fù)載電阻為49.2 Ω。

4.2 "測(cè)試結(jié)果分析

由測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)基本滿足題目中各項(xiàng)要求，系統(tǒng)能夠完成各項(xiàng)指標(biāo)主要得益于選擇器件的準(zhǔn)確性。選擇高增益高帶寬運(yùn)放和可調(diào)高增益可衰減器件LMH6502，并且采用多種抗干擾的措施，如使用了SMA頭作為輸入級(jí)，使用屏蔽盒進(jìn)行信號(hào)屏蔽，嚴(yán)格遵循芯片廠商的布線意見(jiàn)。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知放大器的最大增益，最小輸入電壓，最大輸入電壓，最大輸出噪聲，帶負(fù)載能力等都達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。在進(jìn)行個(gè)別項(xiàng)測(cè)試時(shí)由于空氣中以及各種儀器中存在的噪聲比較大，所以對(duì)前級(jí)放大電路做了屏蔽。

5 "結(jié) "語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)MSP430G2553的射頻寬帶 " " " " " " " " " " "放大器，選擇了高增益寬帶運(yùn)放OPA695和可控增益放大器LMH6502，通過(guò)單片機(jī)控制可實(shí)現(xiàn)0～60 dB增益可調(diào)，并且滿足了0.3～100 MHz頻率內(nèi)具有很好的平坦性。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，驗(yàn)證該系統(tǒng)可行性和實(shí)用性。

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