增益可調(diào)射頻寬帶放大器設(shè)計(jì)

 0 前言

無線通信的快速發(fā)展，對(duì)信息通訊起到了促進(jìn)作用。射頻寬帶放大器一般應(yīng)用于廣播、電視、無線通信系統(tǒng)和射頻信號(hào)發(fā)生器中，主要特點(diǎn)是在很寬的頻帶范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗匹配，增益的起伏變化很小。傳統(tǒng)采用負(fù)反饋和集成寬帶可控增益放大器技術(shù)方案，由于其內(nèi)部通常是由固定增益放大器和電阻衰減網(wǎng)絡(luò)組成，增益調(diào)節(jié)范圍和工作帶寬

均受到一定限制。本設(shè)計(jì)方案通過寬帶乘法器調(diào)節(jié)增益，很好地解決了這一問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。輸入信號(hào)進(jìn)入前級(jí)放大器OPA2695，經(jīng)過三級(jí)連續(xù)放大，最終進(jìn)入相乘系數(shù)可調(diào)的乘法器AD835，通過調(diào)整相乘系數(shù)實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)的放大功能。

2 系統(tǒng)理論分析

2.1 前級(jí)放大器

系統(tǒng)前級(jí)放大器電路如圖2所示。由圖2可知，前級(jí)放大器的增益為：

系統(tǒng)通頻帶由三級(jí)OPA2695、AD835共同決定，由頻率響應(yīng)公式可知系統(tǒng)增益與頻率的關(guān)系為：

式(1)中，Av1、Av2、Av3分別為前三級(jí)放大器的增益，Av4為后級(jí)乘法器的增益，這個(gè)增益是可以通過調(diào)整比例電阻和單片機(jī)DA輸出來調(diào)整的。

式(5)中f2695_1、f2659_2、f2695_3、f835分別是器件中響應(yīng)運(yùn)放的通頻帶，|AuI|為放大器鏈路中各級(jí)放大器的中頻電壓放大倍數(shù)。

前級(jí)同相放大電路采用雙電源供電。信號(hào)輸入端接50Ω電阻R1，實(shí)現(xiàn)放大器與信號(hào)源的阻抗匹配。R2和R3確定放大器增益。50Ω電阻R4是級(jí)間匹配電阻。R5是0Ω電阻，起到抑制噪聲和防止放大器自激振蕩的作用。第二級(jí)放大器的結(jié)構(gòu)與第一級(jí)相似，R6是50Ω匹配電阻，增益Av2=20lg(1+R8/R7)，R9是級(jí)間匹配電阻，R10是防自激、抑制噪聲的0Ω電阻。第三級(jí)放大器與前兩級(jí)類似，不再贅述。

電路中為了有效地防止出現(xiàn)自激現(xiàn)象、保證電源的穩(wěn)定，在前級(jí)運(yùn)算放大器的正負(fù)電源引腳上分別加了10μF和100nF的濾波電容，除此之外在正負(fù)電源之間跨接了100nF匹配電容C1，起到改善放大器二次諧波輸出的作用。

2.2 后級(jí)增益可調(diào)電路

后級(jí)增益可調(diào)電路如圖3所示。寬帶乘法器采用AD835芯片，電阻R18和R19確定乘法器的放大倍數(shù)，C10為補(bǔ)償電容，C13、C14、C15、C16分別是電源濾波電容。經(jīng)過前級(jí)放大器放大之后的信號(hào)從乘法器y1輸入，與單片機(jī)輸出的DA電壓x1相乘后，最終從w端輸出。輸出電壓為：

其中，U為比例系數(shù)，通常取1.05。由電路的接法可知，x2=y2=0。由此可知，本增益可控寬帶放大器的帶寬與乘法器芯片密切相關(guān)。

3 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

前級(jí)放大器采用兩片OPA2695芯片，OPA2695是電流反饋型放大器，具有帶寬范圍大、轉(zhuǎn)換速率快、低功耗的特點(diǎn)。在GAIN=+2V/V的情況下，帶寬達(dá)到850MHz，在GAIN=+8V /V的情況下，帶寬達(dá)到450MHz。依據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，最終確定前級(jí)放大倍數(shù)Av1=14dB，Av2=26dB，Av3=20dB，總的增益可以達(dá)到60dB。電阻R2=56.2Ω、R3=220Ω、R7=56.2Ω、

R8=1.2kΩ、R12=56.2Ω、R13=510Ω。這樣設(shè)計(jì)增益可以減少電路的總噪聲，提高電路工作的穩(wěn)定性。

后級(jí)的AD835乘法器，擁有跨導(dǎo)線性核心，支持三線XYZ線性電壓轉(zhuǎn)換，并可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載輸出，帶寬為250MHz，基本功能是W=XY+Z，由實(shí)際電路連接，Vout=Vg*Vin。Vg的電壓變換范圍從-1V到1V，可以實(shí)現(xiàn)整體電路從0dB～60dB的增益可調(diào)。被前級(jí)放大的信號(hào)輸入到乘法器的y1端口，單片機(jī)控制DA輸出作為相乘的電壓，輸入到乘法器x1端口，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)放大器總增益的線性調(diào)節(jié)。電路中R18=97.6Ω、R19=300Ω、C10=33pF。

4 測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試用的PCB經(jīng)過仔細(xì)的布局，盡量避免各種噪聲干擾，注意單點(diǎn)接地、電源隔離、各模塊之間使用同軸電纜相連等細(xì)節(jié)問題，最終自己焊接測(cè)試。

4.1 測(cè)試方法

測(cè)試頻帶內(nèi)增益起伏：調(diào)節(jié)增益≥60dB，用高頻函數(shù)發(fā)生器SP1501給系統(tǒng)輸入信號(hào)，用高頻毫伏表SP2271和高頻示波器MSO-X 2022A測(cè)量輸出，改變高頻函數(shù)發(fā)生器的信號(hào)頻率，用高頻示波器觀察和測(cè)量輸出幅度。

測(cè)試輸入輸出阻抗：輸出端加入負(fù)載，測(cè)量加入負(fù)載后的輸出電壓。

4.2 測(cè)試結(jié)果及分析

通頻帶內(nèi)增益起伏增益≥60dB。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1可知，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)增益可調(diào)范圍是0dB～60dB，而且在通頻帶內(nèi)增益起伏<1dB，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，帶寬>100MHz，下限頻率<0.3MHz，上限頻率>100MHz。

5 結(jié)束語

本寬帶放大器的優(yōu)點(diǎn)是固定增益電路和增益調(diào)節(jié)電路分離，充分利用固定增益放大器級(jí)聯(lián)后的高增益、寬帶寬特點(diǎn)和乘法器的寬帶寬優(yōu)勢(shì)，將固定增益放大電路放大后的信號(hào)與單片機(jī)DA輸出信號(hào)在乘法器中相乘，通過調(diào)節(jié)DA信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)放大器總體增益的調(diào)節(jié)，解決了傳統(tǒng)增益和帶寬受限的問題。