增益可控射頻放大器設計

三江學院 徐 賢 吳正平

1.系統方案設計

增益可控射頻放大器設計時，主要包括兩個方面，一是可控放大器的實現；二是射頻放大器的實現。針對可控放大器的實現，常用的方法是采用場效應管或三極管控制增益，利用場效應管可變電阻區（或三極管等效為壓控電阻）實現增益控制；或者采用多路選擇器來來改變放大器跨接的電阻的值實現增益控制。前者，分立原件多，電路相對復雜，穩定性差，在頻帶要求高的場合不適用；后者需求每一級放大器都要加多路選擇器，不能實現連續調節，影響高頻的頻率特性，容易引起放大器的自激。因此，本設計中，以上兩種方案均未采用，而是采用更為直接的可調增益的運放實現（VCA824），該運放可以dB為單位進行調節，可控增益為±20dB，可以用單片機方便的預制增益。這種方案集成度高，條理清晰，控制方便，易于數字化單片機處理。

在進行射頻放大器設計時，沒有采用電壓反饋放大器OPA847、OPA8009、OPA691、OPA2694這些常用的運放，基于放大倍數和失真度的考慮而是采用電流反饋放大器OPA690、THS3091，因為OPA690特別適合做高頻小信號放大，在Gain=2的前提下工作帶寬為120MHz，可用于前級處理部分，而THS3091在Gain=2的前提下工作帶寬為210MHz。

2.硬件電路設計

2.1 系統框圖

本系統主要包括前級放大模塊、增益控制模塊、鍵盤及顯示模塊和電源模塊。如圖（1）所示。

圖（1）系統框圖

2.2 可控電壓增益電路

可控增益調節部分使用壓控增益放大器集成電路VCA824，VCA824在寬頻帶工作模式下，如圖（2）所示，增益控制范圍為-20dB～+20dB，但增益dB和控制電壓不是線性關系。

圖（2）VCA824電路圖

2.3 前級電壓增益放大電路

OPA690特別適合做高頻小信號放大，在Gain=2的前提下工作帶寬為220MHz，可用于前級處理部分，對于后級的調理起到相當大的簡化作用，該運放具有良好的帶寬增益，如圖（3）所示。

2.4 電源模塊

本系統使用了多種芯片，其工作電壓也各有不同，其中，單片機、OPA690 、VCA824芯片需±5V供電，THS3091芯片需±9V供電。系統總電源采用DC-12V的供電方式，在得到初始電壓12V后經由芯片MC34063A得到-9V的電壓，如圖（4）所示；±5V，+9V的電源，采用同一系列的78MXX,79MXX芯片實現，如圖（5）、圖（6）所示。

圖（3）OPA690放大電路

圖（4） -9V電壓電路圖

圖（5）+9V電壓電路圖

圖（6）±5V電壓電路圖

3.理論分析與參數計算

3.1 射頻放大器的設計

由于運放無法實現單級放大40dB，因此本系統采用多級放大實現40dB增益可調。前級采用固定增益，由寬帶高壓擺率運放OPA690實現2倍增益；中間級通過壓控放大器VCA824實現0.1～10V/V增益可調，VCA824帶寬為350MHz，增益范圍0～40dB范圍可調；后級由繼電器切換，實現最終0～52dB范圍可調。

3.2 頻帶內增益起伏控制

本系統前級固定增益放大，根據OPA690Datasheet提供，其增益為G=2時，帶寬是120MHz。前級使用壓控放大器VCA824，在一定頻帶內輸出信號會有波動，因此在壓控電阻控制端進行頻率補償，擴展信號的頻帶，使輸出信號增益穩定，波動不大于2dB。

3.3 射頻放大器穩定性設計

（1）放大器板上運放電源線及數字信號線均加磁珠和電容濾波，磁珠可濾除電流上的毛刺，電容濾除較低頻率的干擾，這兩者配合在一起可較好的濾除電路上的串擾，安裝時盡量靠近IC電源和地。

（2）信號耦合用電解電容兩端并接高頻瓷片電容以避免高頻增益下降。

（3）在兩個焊接板之間傳遞模擬信號時用同軸電纜，信號輸入輸出使用SMA-BNC接頭以使傳輸阻抗匹配，并可減少空間電磁波對本電路的干擾，同時避免放大器自激。

（4）數字電路部分和模擬電路部分的電源嚴格分開，同時數字地和模擬地電源地一點相連。

3.4 增益調整

系統增益調整主要由壓控放大器VAC824實現。設置VCA824最大增益為10倍，通過調節壓控端電壓調節增益。其表達式為：

4.測試數據及數據分析

4.1 測試數據

在完成系統軟硬件設計及制作，對電路進行多次檢測后，使用函數發生器（KEY SIGHT 3360A）以及示波器（MOS-X3104T）測得以下數據，如表（1）及圖（7）所示。

4.2 數據分析

對測試波形及數據進行記錄和分析，可以得出該設計滿足以下指標：

（1）電壓增益Av≥40dB，輸入電壓有效值Ui≤56mV，Av在0～40dB范圍內可調；

（2）最大輸出正弦波電壓有效值Uo≥2V，輸出信號波形無明顯失真；

（3）放大器BW-3dB的下限頻率fL≤60MHz，上限頻率fH≥130MHz，在 75MHz～130MHz頻帶內增益起伏≤2dB；

圖（7）輸出信號波形

（4）放大器的輸入阻抗=50Ω，輸出阻抗=50Ω，負載為50Ω；

（5）電壓增益Av≥60dB，輸入電壓有效值Ui≤1mV，Av在0～60dB范圍內可調；

（6）增益控制范圍為12dB～40dB，增益步長為4dB，增益誤差小于2dB。

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