一種新型增益可控射頻放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

遼寧工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 李萬鑫 趙 新 徐源博 王亞君

1 引言

無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是射頻微波通信技術(shù)的發(fā)展，使得對(duì)射頻放大器的性能要求越來越高。射頻放大器由于具有工作電壓低、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、廣播和雷達(dá)信號(hào)中，其工作特點(diǎn)是在寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，具有穩(wěn)定的輸出。為實(shí)現(xiàn)高頻輸出，本設(shè)計(jì)中采用T型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，并由單片機(jī)控制模擬開關(guān)TS5A3166實(shí)現(xiàn)接入不同的衰減網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同的衰減倍數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增益的可調(diào)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用德州儀器公司生產(chǎn)的高速放大器OPA695、OPA847以及電流反饋型放大器ths3201以及由電阻構(gòu)成的衰減網(wǎng)絡(luò)組成增益可控射頻放大器。系統(tǒng)前級(jí)由OPA695實(shí)現(xiàn)8倍固定增益放大，中間級(jí)由OPA847實(shí)現(xiàn)10倍增益放大，后級(jí)由ths3201實(shí)現(xiàn)10倍的放大。最后經(jīng)由T型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，由單片機(jī)控制模擬開關(guān)TS5A3166實(shí)現(xiàn)接入不同的衰減網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)0db – 52db的增益范圍可調(diào)。由于本設(shè)計(jì)中只提供+12V單電源供電，因此電路中所需其他電源均需由此進(jìn)行轉(zhuǎn)換。具體方案框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案框圖

3 單元電路理論分析與計(jì)算

3.1 電壓轉(zhuǎn)換電路

圖2 電壓轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)題目要求使用單電源12V供電，為了保證高速放大器的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)測(cè)試時(shí)正弦波輸出電壓有效值大于2V并減少噪聲的影響，需采用正負(fù)對(duì)稱的雙電源供電，本設(shè)計(jì)采用極性反轉(zhuǎn)芯片ICL7602實(shí)現(xiàn)-12V電壓的輸出，經(jīng)過線性穩(wěn)壓芯片LM317、LM337輸出±7.5V的電壓提供給后級(jí)放大器THS3201。通過兩個(gè)線性穩(wěn)壓器LM1117-ADJ實(shí)現(xiàn)±5V的輸出提供給前級(jí)和中級(jí)運(yùn)放，具體電路如圖2所示。

3.2 固定增益電路設(shè)計(jì)

固定增益部分電路可以實(shí)現(xiàn)固定增益60db的放大。固定增益電路部分由前級(jí)運(yùn)放OPA695實(shí)現(xiàn)8倍固定增益的放大，中間級(jí)OPA847實(shí)現(xiàn)10倍固定增益放大，最后在經(jīng)過THS3201實(shí)現(xiàn)10倍固定增益的放大。

圖3 各級(jí)放大電路圖

OPA 695為德州儀器公司生產(chǎn)的一款高帶寬的電路反饋型放大器，其在8倍增益時(shí)，理論帶寬可以達(dá)到450MHz，適合作為放大電路的輸入級(jí)，本設(shè)計(jì)采用同相放大電路，其反饋電阻選擇為560Ω，接地電阻選擇56.2Ω。

中間級(jí)采用OPA847芯片，設(shè)置放大倍數(shù)為10倍。OPA847是一款寬帶超低噪聲的電壓反饋放大器，其可以實(shí)現(xiàn)高增益并保持相對(duì)較高的頻率帶寬，適合作為中間級(jí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。

后級(jí)采用電流反饋型放大器THS3201，其具有1.8GHz的帶寬增益積，可在供電電壓為±7.5V時(shí)正常工作，從而實(shí)現(xiàn)較大的輸出電壓。

固定增益部分電路均采用同相放大電路，由于封裝相同，因此可采用相同電路圖，然后對(duì)反饋電阻進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整即可，如圖3所示。

3.3 電阻衰減網(wǎng)絡(luò)

固定增益部分電路可以實(shí)現(xiàn)固定增益的放大，為了實(shí)現(xiàn)12db至52db的步進(jìn)放大必須對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行衰減。本設(shè)計(jì)采用接入T型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)的方法，它可以在不改變等效阻抗的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)電壓的衰減。采用單片機(jī)控制模擬開關(guān)TS5A3166實(shí)現(xiàn)接入不同的衰減網(wǎng)絡(luò)。單極的等效電路如圖4所示，圖中的兩個(gè)R1可以保證輸入阻抗和輸出阻抗等效阻值保持不變。

在本設(shè)計(jì)中輸入阻抗Ri與輸出阻抗Ro均為50Ω，即：

系統(tǒng)增益Av和信號(hào)衰減倍數(shù)AT的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

系統(tǒng)增益Av和R1，R2的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

根據(jù)以上推導(dǎo)，可以計(jì)算出各增益衰減下的阻值。具體衰減網(wǎng)絡(luò)PCB板圖如圖5所示。

圖4 單極T型衰減電路

圖5 衰減網(wǎng)絡(luò)PCB板圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試儀器

增益控制范圍為12dB～52dB，增益控制步長(zhǎng)4dB，增益絕對(duì)誤差不大于2dB。采用高頻信號(hào)發(fā)生器SFG-1013作為信號(hào)源，用數(shù)字示波器GDS-1062測(cè)量輸出。

4.2 測(cè)試結(jié)果

放大器帶寬測(cè)試：設(shè)置信號(hào)源產(chǎn)生有效值為20mV的正弦波信號(hào)，系統(tǒng)增益為60db時(shí)，調(diào)節(jié)輸入信號(hào)頻率在50MHz至160MHz范圍內(nèi)連續(xù)變化，觀測(cè)輸出信號(hào)是否有波動(dòng)。在輸入信號(hào)頻帶內(nèi)找到輸出信號(hào)幅度最大值和最小值，計(jì)算帶內(nèi)波動(dòng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率，是否滿足帶寬要求。

帶寬測(cè)試的結(jié)果如表1所示。

表1 放大器帶寬測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出，系統(tǒng)在40MHz-160MHz內(nèi)，輸出信號(hào)幅值最大時(shí)對(duì)應(yīng)增益為41.8dB，輸出信號(hào)幅值最小時(shí)對(duì)應(yīng)增益為40.1dB，頻帶內(nèi)增益起伏為：1.7dB小于2dB，且輸出波形均無明顯失真。

放大器電壓增益測(cè)試：設(shè)置信號(hào)源產(chǎn)生有效值為10mV，頻率為90MHz的正弦信號(hào)送入系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出端并聯(lián)電阻到地作為負(fù)載。用示波器同時(shí)觀察的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，通過單片機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益，在示波器上觀測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)。進(jìn)一步減小輸入信號(hào)有效值和頻率，重復(fù)以上觀測(cè)，記錄數(shù)據(jù)。

根據(jù)測(cè)試方案，通過示波器觀測(cè)，放大器電壓增益測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 電壓增益測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)0dB-52dB范圍內(nèi)增益可調(diào)，且輸出波形均無明顯失真，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本增益可控射頻放大器由固定增益放大電路和單片機(jī)控制的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)寬帶寬輸出，增益可調(diào)，步進(jìn)可控，輸出信號(hào)波形無失真，性能穩(wěn)定，解決了傳統(tǒng)射頻放大電路增益和帶寬受限的問題。

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