增益可控射頻放(fàng)大器(qì)（D題）
山東大學 李洪珊 李廣鵬 劉元卿 指導教師：姜威、邊棟、陸小珊
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摘要
本系統由四級放(fàng)大器(qì)級聯實現12-52dB的增益調節範圍。最大增益大于52dB。第一(yī)級放(fàng)大器(qì)由TI公司的THS3201構成，二級放(fàng)大電路(lù)由TI公司可控增益放(fàng)大器(qì)VCA821構成，第二級可以實現-20dB到20dB增益調節範圍，可以通過單片機控制DA輸出電平控制增益；後兩級放(fàng)大電路(lù)由TI公司的寬帶放(fàng)大器(qì)OPA695實現, 每一(yī)級固定放(fàng)大8倍。爲了(le)保證能(néng)夠完成發揮部分(fēn)的要求我們再加一(yī)級增益補償模塊，爲了(le)驅動5歐姆的電阻，我們在最後加一(yī)級TI公司的THS3091作(zuò)爲功率放(fàng)大器(qì)使電路(lù)的有效值輸出達到題目要求。我們通過細緻調節各級聯電路(lù)，使帶寬最大。爲解決寬帶放(fàng)大器(qì)的自激問題以及減小輸出噪聲，本系統采用多種形式的抗幹擾措施，抑制噪聲，改善放(fàng)大器(qì)的穩定性。
關鍵詞：寬帶；射頻；可控增益;OPA695；VCA821；STM32F103VET6
Abstract
This system implemented by level 4 amplifier cascade 12-52 db gain adjustment range. The biggest gain is greater than 52 db. First stage amplifier is composed of TI company THS3201, secondary amplifying circuit controlled by TI company gain amplifier VCA821 constitute, the second level can realize - 20 db to 20 db gain adjusting range, can be controlled by single chip microcomputer DA output level control gain; After two-stage amplifier circuit by TI company's broadband amplifier OPA695 implementation, each level fixed amplification eight times. In order to drive 5 ohm resistance in the last one THS3091 TI company as a power amplifier to make the RMS values of the output circuit subject requirements. We through careful adjustment circuit, at all levels to maximize bandwidth. To solve the problem of broadband amplifier self-excited as well.
Keywords: Broadband; Radio frequency;variable gain; OPA695; VCA821;STM32F103VET6
系統總體設計方案的描述
本系統使用TI公司的THS3201，VCA821,OPA695三種芯片構成四級放(fàng)大。第一(yī)級是由THS3201構成固定20dB增益的前級放(fàng)大器(qì)；第二級爲VCA821構成的—20dB到20dB的可控增益放(fàng)大器(qì)，可由單片機通過DA輸出參考電平控制總體增益以4dB步長實現12到40dB的增益變化(huà)；後兩級由兩個OPA695組成兩級放(fàng)大電路(lù)，每一(yī)級固定增益爲20dB。考慮到每一(yī)級間的阻抗匹配，每一(yī)級增益下(xià)降爲原來的一(yī)半，電路(lù)的總增益可以達到55dB,在末級采用THS3091作(zuò)爲功率放(fàng)大級驅動50歐負載并采用由電源模塊轉換得到的±15V電源電壓供電使得輸出有效值大于2V，本系統滿足題目基本部分(fēn)和發揮部分(fēn)要求。
2.主要模塊的比較與選擇
2.1 前級放(fàng)大模塊的選擇
方案一(yī)：選用THS4303作(zuò)爲前級放(fàng)大模塊，THS4303是TI公司生(shēng)産的固定增益10倍的寬帶高速放(fàng)大器(qì)，通頻帶可達200M，但(dàn)100M之上(shàng)頻譜特性不完美。
方案二：選用THS3201作(zuò)爲前級放(fàng)大模塊，THS3201是TI公司生(shēng)産的頻帶可達1.8GHz的高速寬帶放(fàng)大器(qì)，帶内增益平坦，性能(néng)極佳，滿足題目要求。
方案三：選用AD603作(zuò)爲前級放(fàng)大模塊，AD603是一(yī)款常用的高速寬帶運算(suàn)放(fàng)大器(qì)，性能(néng)優良，但(dàn)-3dB帶寬隻有30MHz，不能(néng)達到題目要求。
綜上(shàng)所述，我們選擇方案二THS3201作(zuò)爲我們的前級放(fàng)大模塊。
2.2可控放(fàng)大模塊
方案一(yī)：采用可編程放(fàng)大器(qì)的思路(lù)，将輸入交流信号作(zuò)爲高速DAC的基準電壓，用DAC的電阻網絡構成運放(fàng)反饋網絡的一(yī)部分(fēn)，通過改變DAC數字控制量實現增益控制，但(dàn)是控制的數字量和最後的（dB）不呈線性關系而呈指數關系，造成增益調節不均勻，精度下(xià)降，因此不選用此方案。
方案二：用TI公司的集成可控增益放(fàng)大器(qì)VCA821作(zuò)爲增益控制，控制電壓爲0—+2V。采用一(yī)級VCA824理(lǐ)論上(shàng)最大可實現-20dB—+20dB的增益調整範圍，可以通過單片機設定增益，能(néng)方便的實現題目要求。
方案三：在後級電路(lù)接一(yī)電阻網絡，運用相應的電阻分(fēn)壓來實現增益的調節，這種方法不用引入數字電路(lù)，可以避免不必要的幹擾，但(dàn)會使模拟電路(lù)十分(fēn)複雜，出現不必要的幹擾。
爲了(le)使在帶寬滿足要求的基礎上(shàng)，增益盡可能(néng)大，本系統采用方案二，VCA821做第二級放(fàng)大。
2.3後級放(fàng)大模塊
采用OPA695作(zuò)爲後級放(fàng)大模塊，OPA695帶寬可達450MHz，在0到200M範圍内增益平坦，且放(fàng)大大信号的能(néng)力強，滿足作(zuò)爲後級放(fàng)大的條件,在制作(zuò)的過程中因爲我們不能(néng)保證各級級聯起來後放(fàng)大的倍數的情況，所以我們可能(néng)在後級再加一(yī)級放(fàng)大以此來滿足放(fàng)大倍數的要求。
2.4功率放(fàng)大模塊
方案一(yī)：采用兩級THS3201并聯擴大電流的方式提高帶負載能(néng)力，并采用±7.5V的供電方式進行供電，以此來滿足使得輸出電壓有效值大于2V的目标。
方案二：采用TI公司的THS3091作(zuò)爲功率放(fàng)大模塊，THS3091可以在±15V供電下(xià)工作(zuò)，具有±250mA的電流輸出，且-3dB帶寬可以達到210MHz滿足題目要求，并且工作(zuò)穩定。
因爲采用兩級THS3201并聯的方式工作(zuò)不穩定，極易出現自激現象，而THS3091工作(zuò)線性度好(hǎo)(hǎo)完全滿足題目要求，因此我們采用寬帶高增益放(fàng)大器(qì)THS3091作(zuò)爲功率放(fàng)大模塊。
2.5控制模塊的選擇
由于該題目控制内容比較簡單，不需要高速的數據處理(lǐ)與運算(suàn)，爲了(le)提供良好(hǎo)(hǎo)用戶體驗和人(rén)性化(huà)的人(rén)機交互，MCU我們采用STM32F103VET6，使用它内置DA輸出直流電平，使用TFTLCD觸摸屏輸入控制增益并顯示出當前增益值。
射頻放(fàng)大器(qì)設計
按照題目的發揮部分(fēn)的要求，通頻帶爲40MHz-200MHz，最大電壓增益Av大于等于52dB,則增益帶寬積爲
。采用分(fēn)級放(fàng)大的方式，使放(fàng)大器(qì)的整體增益超過52dB。本系統采用四級級聯，依次爲THS3201（10倍），VCA821（-10-10倍），OPA695（8倍），OPA695（8倍）。但(dàn)四級級聯起來外加一(yī)級功率放(fàng)大，爲了(le)避免自激，調節時可适當降低(dī)增益。系統增益可以達到12到52dB可調。THS3201在放(fàng)大10倍時-3dB帶寬爲480MHz，OPA695在放(fàng)大倍數爲8時，-3dB帶寬爲450MHz；VCA821在放(fàng)大倍數爲10時，-3dB帶寬爲300MHz。所以四級級聯，理(lǐ)論上(shàng)帶寬可以達到300MHz。題目要求要驅動5歐姆的電阻且有效值大于等于2V，則幅值大于等于2.82V，峰峰值要大于等于5.66V，考慮到阻抗匹配增益會縮小一(yī)半，所以最後一(yī)級功放(fàng)的輸出峰峰值要大于等于11.3V，所以用+12V單電源供電難以實現，故我們考慮運用升壓模塊升壓到±15V驅動THS3091，實現5歐姆的驅動，使放(fàng)大器(qì)滿足題目基本部分(fēn)和發揮部分(fēn)要求。
頻帶内增益起伏控制
對于通頻帶内的增益起伏的控制，設置放(fàng)大器(qì)的-3dB帶寬頻率範圍爲40MHz到200MHz，在50MHz-160MHz通頻帶内增益起伏小于2dB。THS3201在放(fàng)大倍數爲10倍時400M範圍内增益起伏小于2dB，OPA695在放(fàng)大倍數爲8倍時，400MHz内增益起伏小于2dB，VCA821在放(fàng)大倍數爲10倍時，200MHz内增益起伏小于2dB，THS3201在180M的範圍内增益小于2dB。各級級聯仍可滿足要求。在實際調試過程中，随着頻率的增大，放(fàng)大器(qì)的增益會随之下(xià)降，可以通過補償電容來添加極點，進而實現相位補償和增益補償，這樣就(jiù)可以将放(fàng)大器(qì)的增益在通頻帶内的起伏控制在最小範圍内。
射頻放(fàng)大器(qì)穩定性
系統的穩定性取決于系統的相位裕量。相位裕量是指放(fàng)大器(qì)的開環增益爲0dB時的相位與180度的差值。放(fàng)大器(qì)一(yī)般會有自激的問題。自激振蕩是由于信号在通過運放(fàng)及反饋回路(lù)的過程中産生(shēng)了(le)附加相移，用
表示放(fàng)大器(qì)的附加相移，
表示反饋網絡的附加相移，當輸入某一(yī)信号頻率爲，使
（N爲奇數），反饋量使輸入量增大，電路(lù)産生(shēng)正反饋。
由于本系統的反饋均爲運放(fàng)單級反饋，故應注意使每級運放(fàng)自身(shēn)産生(shēng)的附加相移小于180度。在電路(lù)調試過程中，可以人(rén)爲引入電阻和電容使得自激振蕩得以消除。對于高速、寬帶的電流反饋型運放(fàng)，我們特别注意了(le)走線布局，如(rú)反饋環一(yī)定要走最短線路(lù)，因爲長的線會引起更大的附加相移；計算(suàn)選擇了(le)合适的反饋電阻阻值，使其不因阻值太大而産生(shēng)更大的分(fēn)布電容，導緻更大的附加相移；也(yě)不因阻值太大而降低(dī)放(fàng)大器(qì)的帶寬。同時，在畫PCB的過程中，采用銅闆大面積接地，級間采用同軸電纜，盡可能(néng)減少幹擾。
增益調整
按照題目的發揮部分(fēn)的要求，采用分(fēn)級放(fàng)大的方式，使放(fàng)大器(qì)的整體增益超過52dB。本系統采用四級級聯進行放(fàng)大，依次爲THS3201（10倍），VCA821（-10-10倍），OPA695（8倍），OPA695（8倍）。但(dàn)四級級聯起來，爲了(le)避免自激，調節時可适當降低(dī)增益。系統增益滿足12dB—52dB範圍可調。增益的調整通過調節VCA821控制電壓來進行。VCA821控制電壓爲0V-+2V，采用DA提供參考電壓，當控制電壓爲0V時，系統帶50歐負載放(fàng)大12dB；控制電壓爲2V時，放(fàng)大可大于52dB。增益單位爲分(fēn)貝時，增益與控制電壓成正比增長。爲了(le)能(néng)夠完美地實現發揮部分(fēn)的要求，使得增益能(néng)夠完美的滿足題目要求，我們會在後級放(fàng)大後加一(yī)級增益補償模塊，放(fàng)大倍數設定爲2倍左右，使得各級級聯以及線路(lù)中的衰減得到補償。爲了(le)驅動負載，我們在末級加一(yī)級功率放(fàng)大，放(fàng)大倍數設置爲2倍。
前級放(fàng)大電路(lù)
采用THS3201實現前級電路(lù)的放(fàng)大，采用反向輸入模式，按照TI公司提供的數據手冊給定的+10倍增益的電路(lù)圖完成第一(yī)級的設計。具體的電路(lù)設計如(rú)圖1: