OPA2995+THS3201增益可控射頻放大器論文設(shè)計(jì)論文

ID:328861 · 發(fā)表于 2018-9-3 20:51

增益可控射頻放大器設(shè)計(jì)

摘要：
本作品由德州儀器公司所生產(chǎn)的OPA847、VCA821、OPA2596、THS3201為主要器件，設(shè)計(jì)并制作了0~52dB全增益范圍內(nèi)-3dB通頻帶為60MHz-130MHz。放大器輸入輸出阻抗均為50歐姆。在輸出端接50歐負(fù)載時(shí)，頻帶在50MHz-160MHz范圍內(nèi)，最大不失真有效值為2V，75-108MHz帶內(nèi)波動(dòng)不大于2dB.實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該作品成功實(shí)現(xiàn)題目要求的功能，多項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于題目要求。

Abstract:
This radiofrequency broadband amplifier is designed based on Texas Instruments (TI) amplifiers OPA847,VCA821,OPA2596 and THS3201 which has a programmable gain over 0~52dB with a -3dB bandwidth of 60MHz to 130MHz, and a 3dB bandwidth of over 200MHz, having an input and output impendence designed to be 50 ohms. The maximum output voltage without distortion is 2Vrms with a 50 ohm load and within 1dB bandwidth. The maximum gain is over 52dB with an in-band gain error less than 2dB.Measurements suggested that our device has reached all requirement of the subject, and some indexes even surpass the criteria the competition demands.

1系統(tǒng)構(gòu)成與各子模塊方案
1.1 前級(jí)放大模塊方案的論證與選擇
方案一：使用OPA657作為第一級(jí)放大，該芯片有1.6GHz的增益帶寬積。但是輸入噪聲電壓為4.8nV/√Hz。
方案二：使用OPA687做第一級(jí)放大，它具有較高的13.8GHz的增益帶寬積，0.95nV/√Hz的輸入電壓噪聲,900V/us的壓擺率。
方案三：使用OPA847作為第一級(jí)放大，它具有超高的3.9GHz的增益帶寬積，0.85nV/√Hz的輸入噪聲電壓，950V/us的壓擺率。
經(jīng)實(shí)踐對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)，為了滿足題目提出的低噪聲要求，從第一級(jí)開始就需要抑制噪聲，所以因選用低輸入噪聲、高壓擺率的芯片。OPA847的輸入噪聲電壓最低，可以有效的壓制噪聲，它的壓擺率也最高，而且也可以得到6dB的電壓放大倍數(shù)。所以綜上所述選擇方案三。
1.2可控增益放大器方案的論證與選擇
方案一：采用精密的電位器改變放大器的反饋電阻來實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)采用如OPA820，在+2倍增益時(shí)其增益帶寬積240MHz。但是這樣會(huì)給電路系統(tǒng)帶來干擾，而且在頻率很高的時(shí)候，電位器會(huì)產(chǎn)生電容效應(yīng)，使得增益不夠平坦。
方案二：采用VCA821和VCA820可變?cè)鲆娣糯笃鳎渲蠽CA821具有710MHz的小信號(hào)帶寬，2500V/us的壓擺率。VCA820具有150MHz的小信號(hào)帶寬，1700V/us的壓擺率。
綜合以上兩種方案選擇，為兼顧性價(jià)比和高頻信號(hào)等問題，選擇方案二。
1.3末級(jí)電壓放大模塊的論證與選擇
本級(jí)采用X級(jí)OPA2995、THS3201作為功率放大，它是電流反饋放大電路，其優(yōu)點(diǎn)是電路帶寬受增益的影響小，可以在滿足放大的同時(shí)，滿足帶寬的需求，帶寬主要受反饋電阻的影響，因此我們根據(jù)芯片手冊(cè)上的電路對(duì)其外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮到電源限制，采用正負(fù)5V進(jìn)行供電，使系統(tǒng)通頻帶較高。經(jīng)過幾次嘗試，選擇增益為40倍，帶寬超出180MHz.且?guī)?nèi)平坦度較好，能夠滿足題目的帶載能力。
系統(tǒng)框圖如下：

2 系統(tǒng)的理論分析與計(jì)算
2.1放大器增益帶寬積分析
系統(tǒng)調(diào)整主要由壓控放大器VCA821實(shí)現(xiàn)。設(shè)置VCA821最大增益為5倍，通過調(diào)節(jié)壓控端電壓

調(diào)節(jié)增益。其表達(dá)式為：

選取

，則增益為：

，
控制

在-1~1V范圍內(nèi)變化，可調(diào)節(jié)增益在0.05~5V/V變化。
2.2增益分配的計(jì)算
根據(jù)題目中的基本要求增益在12dB～40dB，增益步長(zhǎng)為4dB的增益步進(jìn)控制。頻率范圍為50MHz～160MHz。單級(jí)放大甚至是兩級(jí)放大都是難以實(shí)現(xiàn)的，所以我們選擇4級(jí)級(jí)聯(lián)的方式，最終實(shí)現(xiàn)電壓增益Av≥40dB的目標(biāo)。第一級(jí)輸出實(shí)現(xiàn)11倍的放大，可變?cè)鲆娣糯髮?shí)現(xiàn)程控增益的放大。
2.3 帶寬計(jì)算
通過方案論證，寬帶放大器采用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)。題目發(fā)揮部分要求輸入信號(hào)有效值

時(shí)，輸出電壓有效值

，即峰峰值為

，頻率為100MHz時(shí)下降3dB，則末級(jí)運(yùn)放壓擺率為：

同時(shí)，題目要求電壓增益

，輸入信號(hào)頻率為100MHz，則若采用單級(jí)放大，要求運(yùn)放增益帶寬積為：

目前運(yùn)放無法實(shí)現(xiàn)單級(jí)放大60dB，因此本系統(tǒng)采用多級(jí)放大實(shí)現(xiàn)60dB增益可調(diào)。前級(jí)采用固定增益，由寬帶高壓擺率運(yùn)放OPA847實(shí)現(xiàn)10倍增益。中間級(jí)通過壓控放大器VCA824實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)。
2.4頻帶內(nèi)增益起伏的控制
根據(jù)題目要求整個(gè)系統(tǒng)至少滿足在75MHz～108MHz范圍內(nèi)增益波動(dòng)不大于2dB,由于本系統(tǒng)是X級(jí)級(jí)聯(lián)的結(jié)果，并且每一級(jí)都可以單獨(dú)工作，所以要保證每一級(jí)的最大的增益波動(dòng)小于2dB。此外，在各級(jí)共同工作時(shí)，系統(tǒng)的總的增益曲線為各個(gè)模塊的疊加。考慮最極端的情況，即各部分的最大增益波動(dòng)的地方為同一個(gè)位置。在這種情況下要保證各級(jí)最大的增益波動(dòng)小于 2除以級(jí)數(shù) 才能滿足題目的要求。為了排除其他因素的影響，我們選用的芯片都是輸入電壓噪聲極低的芯片。應(yīng)該盡可能降低在75MHz～108MHz通帶內(nèi)的波動(dòng)，必要時(shí)需要通過調(diào)整電路結(jié)果或外接LC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一定的增益補(bǔ)償。
通過上述合理的分配各級(jí)增益，使得各級(jí)帶寬滿足要求，四級(jí)級(jí)聯(lián)。
2.5輸入輸出阻抗設(shè)置
題目要求系統(tǒng)的輸入和輸出阻抗都為50Ω，對(duì)于交流信號(hào)第一級(jí)運(yùn)算放大器輸入端使用50Ω電阻連接到地，如圖2.3所示。輸出阻抗在輸出級(jí)放大器輸出端串接50Ω電阻即可。如圖1所示。

圖 1
3 電路與程序設(shè)計(jì)
3.1電路總體設(shè)計(jì)
由前級(jí)放大電路模塊，程控增益模塊，末級(jí)放大電路模塊組成，詳見附錄1。
3.2程序總體設(shè)計(jì)
程序模塊主要由鍵盤DAC輸出和顯示構(gòu)成
3.2.1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路
采用stm32f103ZET6單片機(jī)，通過掃描鍵盤鍵值來控制DAC輸出的特定線性分布電壓實(shí)現(xiàn)增益步進(jìn)并且將增益值和DAC輸出電壓值顯示在LCD屏幕上。
4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果
4.1 測(cè)試方案方法
系統(tǒng)調(diào)試原則：根據(jù)電路原理現(xiàn)調(diào)試個(gè)單元電路，然后再整機(jī)測(cè)量。
（1）電路仿真與級(jí)聯(lián)調(diào)試
運(yùn)用仿真軟件對(duì)每一集電路進(jìn)行電路仿真，調(diào)整參數(shù)，達(dá)到要求后制作單層PCB板電路，焊接并進(jìn)行單級(jí)測(cè)試，包括是否達(dá)到預(yù)定增益指標(biāo)，增益起伏是否達(dá)到要求等。
（2）成功后進(jìn)行4級(jí)級(jí)聯(lián)，整體測(cè)試，得出結(jié)果進(jìn)行調(diào)整后再固化電路布局，最后裝箱調(diào)試。
4.2 測(cè)試條件與測(cè)試儀器
表4-2測(cè)試使用的儀器設(shè)備

序號(hào)	名稱、型號(hào)、規(guī)格	數(shù)量	精度
1	數(shù)字萬用表	1	3位半
2	DG4162函數(shù)信號(hào)發(fā)生器	1	300MHz
3	54642A示波器	1	500MHz

測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路與系統(tǒng)原理圖完全相同。檢查無誤，各元件參數(shù)選擇合適，硬件電路無虛焊、接錯(cuò)、短路。
4.3 測(cè)試結(jié)果及分析

4.3.1 基本功能測(cè)試
我們按照調(diào)試步驟，逐一實(shí)現(xiàn)各功能。并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果以表格形式匯總。如下表所示。

5 設(shè)計(jì)總結(jié) 可以寫我們都完成了哪些指標(biāo)
本設(shè)計(jì)通過多級(jí)放大電路，實(shí)現(xiàn)了增益可控的射頻寬帶放大器，該放大器具有高帶寬，增益可步進(jìn)等特點(diǎn)，滿足了題目的基本需求。

參考文獻(xiàn)：按文中引用次序列出
[1]黃智偉. 射頻小信號(hào)放大器電路設(shè)計(jì).西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008
[2]黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006
[3]張誠(chéng).電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)——電路篇.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012
附錄1：電路原理圖

OPA2695電路圖

VCA821電路圖

OPA847電路圖

THS3201電路圖

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