一種新型增益可控射頻放大器的設計與實現

遼寧工業大學電子與信息工程學院 李萬鑫 趙 新 徐源博 王亞君

1 引言

無線通信技術的飛速發展，尤其是射頻微波通信技術的發展，使得對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、尺寸小等優點，廣泛應用于移動通信、廣播和雷達信號中，其工作特點是在寬頻帶內實現阻抗匹配，具有穩定的輸出。為實現高頻輸出，本設計中采用T型電阻衰減網絡，并由單片機控制模擬開關TS5A3166實現接入不同的衰減網絡，實現不同的衰減倍數，進而實現增益的可調。

2 系統設計方案

本設計采用德州儀器公司生產的高速放大器OPA695、OPA847以及電流反饋型放大器ths3201以及由電阻構成的衰減網絡組成增益可控射頻放大器。系統前級由OPA695實現8倍固定增益放大，中間級由OPA847實現10倍增益放大，后級由ths3201實現10倍的放大。最后經由T型電阻衰減網絡，由單片機控制模擬開關TS5A3166實現接入不同的衰減網絡，實現0db – 52db的增益范圍可調。由于本設計中只提供+12V單電源供電，因此電路中所需其他電源均需由此進行轉換。具體方案框圖如圖1所示。

圖1 系統方案框圖

3 單元電路理論分析與計算

3.1 電壓轉換電路

圖2 電壓轉換電路

根據題目要求使用單電源12V供電，為了保證高速放大器的穩定性，實現測試時正弦波輸出電壓有效值大于2V并減少噪聲的影響，需采用正負對稱的雙電源供電，本設計采用極性反轉芯片ICL7602實現-12V電壓的輸出，經過線性穩壓芯片LM317、LM337輸出±7.5V的電壓提供給后級放大器THS3201。通過兩個線性穩壓器LM1117-ADJ實現±5V的輸出提供給前級和中級運放，具體電路如圖2所示。

3.2 固定增益電路設計

固定增益部分電路可以實現固定增益60db的放大。固定增益電路部分由前級運放OPA695實現8倍固定增益的放大，中間級OPA847實現10倍固定增益放大，最后在經過THS3201實現10倍固定增益的放大。

圖3 各級放大電路圖

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

中間級采用OPA847芯片，設置放大倍數為10倍。OPA847是一款寬帶超低噪聲的電壓反饋放大器，其可以實現高增益并保持相對較高的頻率帶寬，適合作為中間級對信號進行放大。

后級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時正常工作，從而實現較大的輸出電壓。

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，然后對反饋電阻進行適當調整即可，如圖3所示。

3.3 電阻衰減網絡

固定增益部分電路可以實現固定增益的放大，為了實現12db至52db的步進放大必須對放大后的信號進行衰減。本設計采用接入T型電阻衰減網絡的方法，它可以在不改變等效阻抗的前提下實現對信號電壓的衰減。采用單片機控制模擬開關TS5A3166實現接入不同的衰減網絡。單極的等效電路如圖4所示，圖中的兩個R1可以保證輸入阻抗和輸出阻抗等效阻值保持不變。

在本設計中輸入阻抗Ri與輸出阻抗Ro均為50Ω，即：

系統增益Av和信號衰減倍數AT的轉換關系為：

系統增益Av和R1，R2的轉換關系為：

根據以上推導，可以計算出各增益衰減下的阻值。具體衰減網絡PCB板圖如圖5所示。

圖4 單極T型衰減電路

圖5 衰減網絡PCB板圖

4 系統測試

4.1 測試儀器

增益控制范圍為12dB～52dB，增益控制步長4dB，增益絕對誤差不大于2dB。采用高頻信號發生器SFG-1013作為信號源，用數字示波器GDS-1062測量輸出。

4.2 測試結果

放大器帶寬測試：設置信號源產生有效值為20mV的正弦波信號，系統增益為60db時，調節輸入信號頻率在50MHz至160MHz范圍內連續變化，觀測輸出信號是否有波動。在輸入信號頻帶內找到輸出信號幅度最大值和最小值，計算帶內波動時所對應的頻率，是否滿足帶寬要求。

帶寬測試的結果如表1所示。

表1 放大器帶寬測試結果

從表1可以看出，系統在40MHz-160MHz內，輸出信號幅值最大時對應增益為41.8dB，輸出信號幅值最小時對應增益為40.1dB，頻帶內增益起伏為：1.7dB小于2dB，且輸出波形均無明顯失真。

放大器電壓增益測試：設置信號源產生有效值為10mV，頻率為90MHz的正弦信號送入系統，系統輸出端并聯電阻到地作為負載。用示波器同時觀察的輸入信號和輸出信號，通過單片機調節系統增益，在示波器上觀測系統的輸出信號。進一步減小輸入信號有效值和頻率，重復以上觀測，記錄數據。

根據測試方案，通過示波器觀測，放大器電壓增益測試結果如表2所示。

表2 電壓增益測試結果

從表2可以看出，系統可實現0dB-52dB范圍內增益可調，且輸出波形均無明顯失真，系統性能穩定。

5 結論

本增益可控射頻放大器由固定增益放大電路和單片機控制的電阻衰減網絡構成，可實現寬帶寬輸出，增益可調，步進可控，輸出信號波形無失真，性能穩定，解決了傳統射頻放大電路增益和帶寬受限的問題。

[1]藍良生,趙翔.射頻寬帶放大器設計與實現[J].科技信息,2014(3):221-222.

[2]李成林,劉勇,方韜,劉國華.增益可調射頻寬帶放大器設計[J].電子技術,2015(2):43-44.

[3]黃智偉編著.全國大學生電子設計競賽電路設計(第2版)[M].北京航空航天大學出版社,2011.

[4]王振江,張常華編著.全國大學生電子設計競賽賽前訓練題精選[M].化學工業出版社, 2010.

[5]張有志主編.全國大學生電子設計競賽培訓教程[M].清華大學出版社,2013.

[6]全國大學生電子設計競賽組委會編.第九屆全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編[M].北京理工大學出版社,2010.