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2013D题 射频宽带放大器 全国一等奖设计方案

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四级增益放大,中间程控衰减

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2013 年 D 题 射频宽带放大器 全国一等奖设计方案 1 2 以下资料摘录自“胡仁杰等.2013 江苏赛区 全国大学生电子设计竞赛优秀作品设计报告选 编[M].南京:东南大学出版社,2014.7” 设计方案一 (全国一等奖 东南大学 学生:廖振星等,指导老师:郑姚生等) 一、系统构成 根据该题的各项技术指标要求,采用宽带宽、低噪声、高增益的程控放大器是本题的重 点,也是确定方案时需要综合考虑的问题。为了满足高增益宽带宽的要求,该设计需选择高 增益带宽积的放大芯片,同时注意阻抗匹配;为了实现增益可变,需要利用增益程控芯片; 为了保证带宽内的平坦,需要选择在固定放大倍数下通频带能够保持平坦,或是多级之间的 增益频率变化特性能互补而平坦的芯片;为了满足低噪声要求,从第一级开始就需抑制噪声, 并在各级中减少噪声的带入。 综合考虑后,决定将电路定为四级,其中第一级主要进行阻抗匹配和噪声抑制,固定增 益放大;第二级和第三级都是程控增益控制,以实现高增益、宽带宽和增益可变的平衡;第 四级采用电流反馈放大器进行功率放大。 3 系统框图如图 D‐1‐1 所示。 (1)前级放大模块的论证与选择 方案 1:使用 OPA657 作为第一级放大,按照该芯片手册的说明,在+7 倍增益时,OPA657 的增益带宽积高达 1.6 GHz,是高增益带宽积,低扰动的电压反馈型放大器。在单级能够保 证带宽和精确度的情况下放大小信号,完全满足题目 100 MHz 带宽的要求。 方案 2:使用 OPA846 或 OPA847 芯片,这两种芯片性能相近,都是具有超低输入电压 电流噪声,超高增益带宽积的芯片,OPA846 在放大 10 倍的情况下,有 400 MHz 的带宽, 而 OPA847 具有 3.9 GHz 的增益带宽积,且两种芯片的输入电压噪声也极低,能有效压制噪 声。 经实践,我们发现 OPA657 满足带宽 100 MHz 的要求,但 4.8nV/√Hz 的输入电压噪声难 以压制,无法达到 60 dB 条件下,输出噪声峰峰值小于 100 mV 的要求,而 OPA846 具有 1.2 nV/√Hz.的输入噪声电压,OPA847 具有 0.85 nV/√Hz 噪声电压,同时增益带宽积为 3.9 GHz, 适合高倍数放大,满足题目要求。为追求更高指标,选用 OPA847,所以采用方案 2。 (2)中间程控放大级的论证与选择 方案 1:采用单级 VCA810 进行程控放大,单片机输出电压经过反向,产生‐2V~0V 的控 制电压,实现单级‐40 dB 到+40 dB 的增益变化。但理论固定带宽只有 35 MHz,难以达到拓 展部分所有技术指标的要求。 方案 2:使用精密电位器改变放大器的反馈电阻实现增益可调,但会给电路系统带来干 扰,且在高频时,电位器产生电容效应,使得增益不够平坦。 方案 3:使用宽带程控集成放大器。利用 VCA822 进行程控放大,VCA822 在增益为 10 dB 时带宽达到 150 MHz,控制电压在‐1~+1V,需要对单片机的控制信号进行电平移动,较为 繁琐。利用 VCA820 进行程控放大,VCA820 的性能和 VCA822 相似,只是控制电压为 0~2 V。 如选用 VCA821, VCA821 与 VCA820 兼容,控制电压也一致,在放大两倍的小信号情况下,带 宽达到 710 MHz,完全满足题目要求。 因此我们选用方案 3 中的 VCA821,且采用两级级联的方式,在增大可调范围的同时, 保证中间级有足够的带宽。 (3)后级电压放大模块的论证与选择 方案 1:利用电流反馈放大器 THS3091 作为末级功放带动 50Ω负载,THS3091 为电流反 馈放大器,没有严格的增益带宽积,比较适合高频设计,另外电流反馈放大器的优点是输出 电流大。 方案 2:选用电流反馈放大器 OPA695 作为末级功放,根据数据手册,OPA695 在放大 8 倍的情况下,仍然具有 450 MHz 的增益带宽,且输出电压能达到土 4.2 V。 方案 3:选用电压反馈型放大器 OPA847 放大 20 倍,OPA827 具有 3.7 GHz 的增益带宽 积,且经过计算,OPA847 完全能接 50 Ω负载,达到 1V 真有效值输出。 通过对比实验发现,3 个方案都能满足带宽要求,但在带负载能力上,方案 1 更能有效 4 满足题目的所有要求,因此我们选用方案 1。 二、放大器增益带宽积分析 电压反馈型运算放大器的增益和带宽之间存在一定的关系,增益越高,带宽越窄,增益 带宽积:BW·Av=常数,所以在放大器设计时,应在增益和带宽之间进行折中的选择。按 照题目发挥部分的要求,信号通频带为 0.3~100 MHz,最大电压增益 Av > 60 dB,则最小的 增益带宽积为:100 M x 1000=100 GHz。 电流反馈型(CFB)运算放大器的开环响应是输出电压对输入电流的响应,与电压反馈 型运放不同,电流反馈运放没有恒定的增益带宽积,随着频率的增加,它可以在较宽的频率 范围内保持高增益。但这是以牺牲反馈电阻的选择范围为代价的,当设计特定的放大倍数时, 应根据所选用芯片的数据手册中提供的数据选择特定的阻值。 本系统采用的 OPA847 的增益带宽积是 3.9 GHz , VCA821 的带宽在小信号时为 710 MHz, 大信号时为 320 MHz,都是宽带运放,符合设计需要。 (1)增益分配的计算 题目中要求系统增益在 0}60dB 可调,带宽为 100 MHz 以上,1 mV 真有效值输入时最大 真有效值输出幅度大于 1V。由以上分析,该系统共分为四级。第一级采用 OPA847 构建同相 放大器,考虑到第二级输入大于 200 mV 易失真,因此第一级输出信号幅度不宜过大,所以 该设计的第一级放大 8 倍,获得 18.05 dB 左右的增益,第四级放大 5 倍,获得约 13.98 dB 的增益,中间两级串联程控级可调范围为‐40 dB~+30 dB,所以系统总增益实现了 0~60dB 可调。 (2)带宽计算 图 D‐1‐2 方框中标明了各级的增益分配,以及计算出每级的最大通频带的上限频率。系 统通频带由三级放大电路共同决定。满足 0.3~100 MHz 的通频带要求。 (3)频带内增益起伏的控制 经过上面合理分配各级增益,使得各级带宽满足要求,四级级联后,1~80 MHz 内增益 起伏小于 1 dB。为了尽可能排除其他因素影响增益起伏,选用极低电压噪声芯片 OPA847 作 为第一级放大,并调节直流偏置。最终达到 1~100 MHz 内增益起伏为 0.9 dB 左右。 三、功能及技术指标实现方法 (1)前级放大电路 第一级的作用主要是进行阻抗匹配和噪声抑制,所以信号输入端加了 50Ω电阻接地进 行匹配,并且使用屏蔽线连接信号源,从而达到阻抗匹配和抑制噪声的作用。而电路本身又 必须具有高信噪比,并尽量减少噪声的带人,尤其是电源方面,除了采用在总电源人口端用 大电容进行滤波外,还在芯片的电源入口处加了 10μF 和 0.1μF 电容进行滤波,并且 PCB 布局及布线时,将电源和信号层布在不同层上,地线布置时,信号地也尽量远离电源地。所 以第一级需要花精力去做精做好。 5 第一级选择的放大器芯片为 OPA847,设计将其配置成 8 倍的放大倍数,用±5V 电源供 电,能够很好地实现降噪并拓宽带宽的要求。图 D‐1‐3 为 OPA847 前级放大电路图,电路可 以在 TI 软件 TINA 中进行仿真。 (2)中间程控级电路 中间级采用两级串联的 VCA821,它在放大 20 dB 时的带宽仍可以达到 320 MHz,满足 题目要求,其有多种配置方式,不同的配置方式随着最大增益的提高,带宽会下降,综合考 虑题目的要求及需要,本设计将其配置为最大增益 20 dB 的模式,从而使其带宽能达到 320 MHz,并且采用两级级联,可以有更大的可控范围,从而满足题目的要求:增益在 0~60 dB 范围内可调。 由于高增益宽带放大电路,直流零点漂移是个需要考虑的问题,所以在该两级连接处加 入了抑制直流零点漂移电路,以使小信号能大倍数放大,而不失真。图 D‐1‐5 中 Rio 即为调 直流偏置电阻。图 D‐1‐5 为两级 VCA821 级联图,,电路可以在 TI 软件 TINA 中进行仿真。 6 (3)末级放大电路 末级采用一级 THS3091 作为功率放大,它是电流反馈放大电路,其优点是电路带宽受增 益的影响较小,可以在放大的同时,满足带宽要求,带宽主要受反馈电阻的影响,因此我们 根据芯片手册上的电路对其外围电路进行设计,虽然其推荐电压是 115 V,但考虑到系统的 噪声及供电,采用可行的±5V 对其供电,使 THS3091 的通频带较高。经过几次尝试,选择 增益为 10 倍(但其输入端有个 50 S}对 50n 的阻抗匹配,所以整体为放大 5 倍),带宽超出 100 MHz,且带内平坦度好,能够满足题目的带负载能力,图 D‐1‐7 为末级 THS3091 放大电 路图,,电路可以在 TI 软件 TINA 中进行仿真。 (4)电源电路设计 直流稳压电源采用通过变压器、7815 芯片、7805 芯片,将 220 V 转换为±12V 和±5V 直流电源,给整体电路供电。 四、电路测量 (1)电路仿真与级联调试 运用电路仿真软件先对每一级电路进行软件仿真,调整参数,达到要求后焊接电路,进 行单级测量,包括是否达到预定增益指标,增益起伏是否满足要求等。 成功后,将四级级联,整体测试,初步得出结果,再将电路进行固定,调整布局,进行 指标测量及电路参数修改,最后进行装箱调试。 (2)测试条件与仪器 测试条件:检查多次,仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同,并且检查无误, 硬件电路保证无虚焊。 测试仪器:示波器(Agilent 350 MHz );数字万用表(Agilent 34460A );函数发生器 (Agilent33522B)。 (3)测试结果及分析 将各级电路级联起来,模拟电压输出至 VCA821,手动调节增益。测试最大放大倍数、 带宽、噪声,测试相关参数。 ① 宽平坦度、截止频率测试:当供电电压为±5V 时,输入有效值 Ui=1 mV,增益为 60dB 时,测量出输入信号频率与增益之间的关系,列表。 ② 噪声测试:在增益大于 60 dB 的情况下,将输入接地,测得输出噪声等于 130 mV 峰峰值,离题目要求存在一些差距。经过分析,可能是级与级连接时,虽采用屏蔽 线,但仍不如直接将各级画在一块板子上效果好;中间级和最后一级功率放大中, 放大器本身存在电压噪声,选择时,并未考虑得很周到,被引入电路;地线布置中, 7 未能将信号地和电源地很好地隔离,地线产生了一定的影响。 ③ 增益特性测试:当供电电压为土 5V,输入信号频率为 10 MHz,最小输入为 1 mV 有效值时,输出最大为峰峰值 6.484 V。当输入为 20 mV 有效值时,输出最小为峰 峰值 20 mV 。 五、作品成效总结分析 根据实测数据表明,在设计中,选用 OPA847 , VCA821 和 THS30} 1 分别作为前级放大、 中间级程控和末级放大的电路组合,很好地满足了输入小于 1 mV 有效值时,增益在 0 一 60 dB 范围内连续可调,1~100 MHz 范围内增益起伏小于 1 dB,上限频率达到 140 MHz,以及 输出电压值,噪声,输入、输出阻抗等性能指标要求。 六、参考资料 [1] 黄智伟.射频小信号放大器电路设计.西安:西安电子科技大学出版社,2008 [2] 钱振宇.开关电源的电磁兼容性.北京:电子工业出版社,2005 [3] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程.北京:电子工业出版社,2005‘ [4] 惠意欣.运算放大器—理论与设计.北京:清华大学出版社,2006 [5] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社,2001 [6] 黄智伟.射频功率放大器电路设计.西安:西安电子科技大学出版社,2009 [7] OPA843 芯片手册 [8] VCA821 芯片手册 [9] THS3091 芯片手册 设计方案二 (全国一等奖 东南大学 学生:彭富林等,指导老师:赵宁等) 一、设计方案工作原理 1.系统方案设计 根据题目要求,本系统主要由五个模块组成:前级输入缓冲电路,增益控制电路,功率 放大电路,A/D 采样电路,显示电路。在前级放大电路中采用高速低噪声放大器 OPA843 作 为输入缓冲,增益控制使用 VCA821 两级级联放大输入信号,扩大增益可调范围,增益控制 可以使用模拟控制,也可以使用单片机数字控制,最后一级应用功率放大电路来提高负载驱 动能力。最终使系统能够实现在 0.01~120 MHz 带内起伏不超过 1 dB,上限截止频率大于 120 MHz,最大增益大于 60 dB,完成发挥部分要求时,系统增加了 A/D 采样电路,可以输出波 形的峰峰值,并显示出来。系统框图如图 D‐2‐1 所示。 8 2.功能指标实现方法与方案选择 (1)增益控制的选择 采用控制电压和增益呈线性关系的可变增益放大器来实现增益控制,如 VCA8210 用电 压控制增益,便于单片机控制,同时可以减小噪声和干扰。而且·目前集成的压控增益放大 器的带宽能做到 100 MHz 以上的也是比较多的。 (2)功率放大的选择 经过压控放大器,实现 60dB 的增益要求还是不够。因此需要再加入最后一级功率放大 电路来提高放大电路的带载能力。 采用集成电路芯片。使用集成电路芯片电路简单、使用方便、性能稳定、有详细的文档 说明。但是本题中有很明确的输入、输出阻抗要求,因此还要进行相应的阻抗匹配 设计。 由于本题要求最大输出正弦波电压有效值 Uo >1 V,峰峰值大于 3V,且通频带大于 100 MHz,这样的功率放大集成模块比较多。 (3)控制系统的选择 在压控放大时,需要给出一个直流量来控制相应的增益,该方案考虑选用单片机给出 D/A 输出量或直接用模拟电压控制。 直接选用 MSP430 的片内 D/A 模块,精度为 12 位,引线简单,但精度不够高。 直接使用模拟电压来控制。直接使用模拟电压控制可以减小控制系统对电路指标的影响, 提高放大电路性能。在本系统中,综合考虑优先采用此方案,之后也用单片机实现方案。 3.系统理论分析与计算 (1)宽带放大器设计 根据题目要求,电路由四级组成,即输入缓冲级、两级压控增益控制级及输出级。 前级输入缓冲电路要求低噪声,抑制零漂,增益带宽积大,TI 公司的 OPA84X 系列是高 速低噪声放大器,综合考虑选择 OPA843。 OPA843 的噪声电压为 2.0 nV/√Hz,增益带宽积 为 800 MHz,符合题目要求。 压控放大器性能比较好的有 TI 公司的 VCA810 系列、VCA82X 系列和 ADI 公司的 AD83xx 系列、AD603。VCA810 可从‐40 dB 到+40 dB 任意增益可调,单片即可满足 0~60 dB 的增益 范围调节,但是 VCA810 只有 35 MHz 恒定带宽,不能达到 100 MHz 带宽;VCA82X 系列带宽 均可大于 100 MHz,且可控增益均可达到 30 dB 以上,要满足 60 dB 增益可调,可采用两级 级联;AD603 配置可控增益为‐11 dB 到+30dB 时带宽为 90 MHz,但实际效果并不能达到理 论上的带宽;AD83XX 系列带宽和可控增益均可满足要求,但是目前没有该芯片资源。 综合分析,我们发现 VCA820 , VCA821, VCA822 作为压控放大器均符合题目要求(增益 大于 60 dB,带宽>100 MHz ) o VCA820 的芯片引脚分布和控制特性均与 VCA821 相同,但是 0.1 dB 和 20 dB 增益的带宽频率特性略差于 VCA821,且 VCA821 的频率特性也远大于 VCA822, 所以我们最终选择 VCA821 作为压控增益放大, VCA820 作为备选方案。 VCA821 的电压控制增益基本呈线性关系,且其最大增益约为 30 dB,若要实现 60 dB 的 增益,需要用两级 VCA821 级联,这样两级 VCA821 的输出理论上可以达到 0~60 dB。 一般情况下电压反馈型放大器都会受增益带宽积的限制,而电流反馈型放大器则没有这 种限制。在本题中,我们选用电流反馈型放大器作为输出级驱动电路。电流反馈型放大器有 很多种,我们选用比较熟悉的 THS3091 o THS3091 的驱动电流为 250mA,负载输出电压大于 1V 有效值。 (2)通频带内增益起伏控制 题目要求频率范围 0.3 MHz~100 MHz,并要求在 1~ 80 MHz 频带内增益起伏小于 1 dB , VCA821 在增益 G=40 dB 时,带宽为 170 MHz 。 VCA821 在 0~100 MHz 时,带宽平坦度几乎 9 没有衰减。两级级联可以实现题目要求。 THS3091 功率放大器在 0~100 MHz 时,带宽平坦度几乎没有衰减,可以满足题目要求。 (3)放大器的增益调整 如前级放大电路固定增益约为 10 倍,最后一级的固定增益为 10,即电路中固定增益为 20 dB,要实现 0~60 dB 可调,中间增益控制范围为‐20~+40 dB,而两级 VCA821 的增益控制 可以做到‐20~+40 dB 的调整。 二、硬件电路设计 1.前级放大电路 我们选用低噪声电压反馈放大器 OPA843 作为系统的前级放大电路,考虑到前级放大电 路与同轴电缆的匹配,以及考虑输人阻抗的大小,我们用同相放大。严格按照芯片手册上的 电路图设计外围电路,电路如图 D‐2‐2 所示。 2. VCA821 增益可调电路 电路如图 D‐2‐3 所示,VCA821 的最大增益是 40 dB,增益过大,带宽则不能达到题目要 求,因此将 VCA821 的增益模式设置为 20 dB,这样可以保证 100 MHz 内的平坦度很好。 10 3. 功率放大模块 电路如图 D‐2‐4 所示,THS3091 是电流反馈放大电路,其电路增益大小和带宽受反馈电 阻的影响很大,因此我们严格按照芯片手册要求设计其外围电路,同时我们发现用±15V 电 压供电时,THS3091 的通频带更高。 11 4.抗干扰措施和减小噪声 (1)印制电路板,匹配线宽,线间距,以及覆铜的区域,信号源层与电源层之间用底层隔 开,很好地起到屏蔽作用。 (2)将输如部分通过低噪声低温漂的高速运算放大器,减小前级噪声引入。 (3)将输入部分和增益控制部分装在屏蔽盒中,避免级间干扰和高频自激。 (4)电源隔离,各级供电采用磁珠隔离,输入级和功率输出级采用隔离供电,输人级电源 靠近屏蔽盒就近接上 1 000 },F 电解电容,盒内接高频瓷片电容,通过这种方法可避免低频 自激。 (5)在电源端配置各种频率的电容并联,通过检测其幅频特性确定最低的电源输出噪声。 (6)D/A 隔离。数字部分和模拟部分之间除了电源隔离之外,还将各控制信号用磁珠隔离。 三、测试条件与仪器 (1)测试仪器 Agilent 350 M 示波器,F120 M 函数发生器,数字万用表。 (2)测试方案 首先将电路级联起来,模拟电压输出至 VCA821,手动调节增益。测试最大放大倍数、 带宽、噪声,之后切换至数字控制 VCA821,测试相关参数,最后显示任意输入信号的峰峰 值和有效值。 四、参考资料 [1] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006 [2] 康华光.电子技术基础模拟部分[M].北京:高等教育出版社,1998 [3] 德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用手册—高速信号链,2010 [4] 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].西安:西安交通大学出版社,2004 [5](日)冈村迪夫,等.OP 放大电路设计[M].北京:科学出版社,2004 12

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