程控增益射频宽带放大器

　　摘要：为实现射频信号的放大和程控增益调节功能，采用压控增益宽带放大器AD8367为核心放大器件，通过MSP430F5529单片机控制高精度数/模转换器TLV5638实现增益步进调节。前置放大级采用低噪声宽带放大器OPA847，功率输出级采用高速电流反馈宽带放大器THS3201，实现10MHz~110MHz宽带、增益调节范围为12~52dB、步进1dB的射频宽带放大器。

　　关键字：射频宽带放大器；压控增益；AD8367；MSP430F5529

　　1设计方案论证

　　1.1固定带宽增益方案

　　方案一：采用高频三极管如9018等分立元件搭建宽带放大器，本方案带宽足够快，增益高，成本低，但是电路设计复杂，稳定性差，容易发生自激，且三极管存在交越失真等现象，输出精度不高，不满足题目对放大器稳定性和精度的要求。

　　方案二：采用单片集成低噪宽带放大器，如3.9GHz超高带宽、低失真、电压反馈型运算放大器OPA847，使用集成芯片在保证带宽的基础上，可有效抑制噪声，且性能稳定，电路搭建简单，调试方便。将集成低噪声宽带放大器作为前置放大器，能够更有效地保证后级系统性能优异。

　　方案一中由于大量分立元件的引入，使得电路复杂且稳定性差。方案二采用集成运放，调试方便，稳定性好。因此，本设计选用方案二。

　　1.2可控宽带增益方案选择

　　方案一：采用固定增益放大器，切换衰减网络的方法。首先有放大器级联实现固定增益（发挥部分要求52dB），再由继电器切换衰减网络（如π型或Ｔ型）实现增益控制。

　　方案二：采用集成可控增益放大器。选用宽带低噪声线性压控增益放大器AD8367作为增益控制核心器件。其控制电压由单片机控制DAC产生，其增益控制精度取决于DAC位数。此方案增益与控制电压呈线性关系，控制精度高，稳定性优良，可实现增益连续可调，两级AD8367级联可实现较宽的增益调节范围。

　　方案一衰减网络由纯电阻搭建，虽然噪声小成本低，但增益调节精度受限于电阻值调节精度；且引入继电器，将影响高频特性，档位切换也无法实现增益连续可调。方案二采用了可变增益放大器AD8367，具有以dB为单位的线性增益的特点，并且以单片机作为控制可以满足题目要求0~60dB可调，方案方便、稳定，可操作性强，所以采用方案二。

　　2、总体方案设计

　　系统硬件电路由低噪声固定增益放大电路、宽带可控增益放大电路、功率放大电路、MSP430F5529单片机控制模块四部分组成。系统总体框图如图1所示。其中，两级AD8367可控增益放大电路的增益控制端电压由用单片机控制的高精度数/模转换器TLV5638产生；后级功率放大电路采用高压摆率、高输出电流、低失真运放THS3201搭建，最大输出电压有效值可达2V以上。

　　2.1低噪声固定增益放大电路设计

　　前置增益采用低噪宽带放大器OPA847，设定固定增益放大以抵消级间匹配带来的损耗，而第一级放大较为关键，OPA847为低噪声运放，可以降低整体的输入噪声，参考芯片数据手册，单级取固定增益22dB，电阻采用用数据手册的最佳频率响应电阻推荐值。

　　2.2可控增益电路设计

　　程控增益电路模块采用500MHz带宽、线性压控增益运算放大器AD8367作为程控核心器件。依据数据手册，AD8367增益调节范围为-2.5~+42.5dB，输入阻抗Zin=200，通过对其输入端进行阻抗匹配，将其可控增益范围调整为-14~+20dB，两级级联理论上可实现-28~40dB的增益范围调节。其控制电压由MSP430F5529单片机控制12位D/A转换器TLV5638产生，增益与D/A输出控制电压值呈线性关系，即为20mV/dB；增益控制理论精度为0.01dB。

　　2.3后级功率放大器的设计

　　为达到输出正弦波有效值Uo=2V，本方案设计的后级功率放大电路由高性能、低失真、电压反馈运算放大器THS3201构成，THS3201具有540MHz带宽（Rf=576Ω，G＝+5），输出电流可达175mA，题目中需输出的电流经计算：Io＝Uo/R＝２V/50Ω＝2.83Vp/50Ω＝56.6mA，能够达到设计要求。

　　2.4通频带内增益起伏控制

　　对于频带内增益起伏的控制，通过两种方法来保证带内增益平坦。首先，我们采用增益平坦度较高的的放大器来进行级联设计，本设计中所用的得宽带放大器1dB衰减点均大于300MHz；THS3201具有380MHz的1dB增益平坦度带宽。从而保证放大器的带内增益平坦。其次，我们在放大器级间插入阻容元件，对放大器进行匹配，从而优化放大器的传输参数，同时减少电路分布参数对放大器幅频特性的影响。

　　2.5射频放大器的稳定性分析

　　系统的稳定性取决于系统的相位裕量，即放大器开环增益为0dB时的相位与180°的差值。由于信号通过运放及反馈回路的过程中产生附加相移，使△A+△F=N（N为奇数），产生自激（△A表示低频段的附加相移，△F表示高频段的附加相移）；本系统的设计中，反馈均为运放单级反馈，注意到每级运放自身产生的附加相移均小于180°。部分反馈电阻上可并联反馈电容，构成超前相位补偿来减小输入杂散电容的影响；通过PCB板合理布线，使反馈回路产生的相移最小。每个芯片的电源与地之间搭建型滤波，级与级之间做好阻抗匹配，用以抑制噪声。

　　3．系统测试

　　3.1频带响应测试

　　设定固定放大倍数，用函数发生器产生固定输入电压有效值20mV的频率信号，然后用示波器测量系统的输出信号有效值，通过计算，求出系统的实际增益。最后将实际的增益与设置的增益比较，利用以上数据算出测量误差。测量时将输出端接到示波器，观察波形是否失真。

　　3.2增益步进测试

　　测试增益步进控制准确性，增益控制范围为12dB～40dB，增益控制步长为4dB，增益绝对误差不大于2dB，并能显示设定的增益值,将输入固定为20mV，按照要求的步进增益测试输出信号，测量数据并分析误差。

　　4.结论

　　测试结果表明该系统完成了程控增益射频宽带放大器的所有功能，实现了预期的带宽和增益调节范围和精度等性能指标。在硬件方面，通过加入前置输入级，使用BNC接头，外部增加屏蔽壳等措施有效地抑制了高频信号对电路高频干扰的影响，使系统的性能得到很大的改善。

　　参考文献：

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