文档介绍：增益可控射频放大器(D题)
【参赛队编号】
增益可控射频放大器(D题)
摘要: 本作品以压控增益放大器VCA821为核心,外加运放OPA847、THS3091配合,放大器的电压增益从12dB到40dB以4dB为步长设定,控制误差不大于2dB实现了输出振幅可调的增益可控放大器。系统主要由四个模块组成:前置放大电路、中间级程控放大电路、后级放大电路和电源模块。在前级放大模块中,用电压反馈型放大器OPA847进行固定增益放大,同时进行阻抗匹配和噪声抑制;中间级采用VCA821进行程控增益控制,以实现高增益、宽带宽和增益可变的平衡;后级利用反馈型放大器THS3091进行放大;电源模块完成对各级电路的供电。经检验,本方案完成了全部基本功能和部分拓展功能。
关键词:射频放大器增益可控 VCA821 OPA847 THS3091
1 设计目标
( 1)放大器的电压增益 Av≥40dB,输入电压有效值 Vi≤20mV, 其输入阻抗、输出阻抗均为 50W, 负载电阻 50W,且输出电压有效值 Vo≥2V,波形无明显失真;
( 2) 在 75MHz~108MHz 频率范围内增益波动不大于 2dB;
( 3) - 3dB 的通频带不窄于 60MHz~130MHz, 即 fL≤60MHz、 fH≥130MHz;
( 4)实现 AV 增益步进控制,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。
2系统论证与比较
本系统主要由前级放大模块模块、中间级程控放大模块、后级放大模块、电源模块组成,实现了增益可控的射频放大,系统框图如图一所示。
信号输出
后级放大
程控放大
信号输入
前级放大
DA转换
电源供电
液晶显示
STM32
按键
图一系统总体框图
(2)前级放大模块的论证与选择
方案一:采用TI公司提供的OPA820ID芯片,采用反相输入比例运算放大电路,提高放大倍数。
方案二:采用OPA847芯片,具有超低输入电压电流噪声,超高增益带宽积,能够有效的抑制噪声,在放大10倍的情况下,。
综合比较,由于方案一设计简单,但容易产生自激振荡,电路稳定性差。,,适合高倍数的放大,更适合题目要求,故选择方案二。
(3)中间级程控放大模块的论证与选择
方案一: 固定增益与电阻网络衰减。通过前级放大电路进行固定增益放大,后级由电阻网络衰减,如电位器,实现 0~40dB 范围内增益可调。
方案二:为了易于实现增益范围0~52dB的调节,可以采用高速乘法器型D/A
实现,比如AD7420。利用D/A 转换器的VRef 作信号的输入端,D/A 的输出端
做输出。用D/A 转换器的数字量输入端控制传输衰减实现增益控制。
方案三:使用宽带程控集成放大器,利用VCA821进行程控放大,VCA821在增益为10dB时带宽可达到710MHz,控制电压在0V~2V。
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。方案二虽然简单易行,精确度高,但查阅相关资料可知:转化非线性误差大,带宽只有几kHz,而且当信号频率较高时,系统容易发生自激,因此未选此方案,方案三在增大可调范围的同时,为了保证中间级有足够大的带宽,稳定性好。
综合以上三种方案,,故选择方案三。
(4)后级放大模块的论证与选择
方案一:利用电流反馈放大电路THS3901作为后级放大带动负载,THS3901为电流反馈放大电路,没有严格的带宽增益积适合高频设计,其优点是输出电压大。
方案二:选用电流反馈型放大器OPA693作为后级放大器,是目前最快的正负5V固定增益放大器,高达700MHz的带宽。
综合考虑上述两种方案,都能满足带宽要求,但因单电源供电电路较为简单,减小放大倍数可以提高输出电压的品质,减小噪声,故采用方案一。
2系统硬件设计及相关分析计算
增益带宽积的分析
带宽和增益存在一定关系:直流到由反馈回路决定得主极点Fc之间,带宽增益积恒定,在该频率以上,如果频率升高一倍增益就会降低一半,运算放大器的3db宽频率就是Fc放大器带宽增益积BW*Au=C常数,所以设计电路时进行折衷选择。题目要求通频带范围为20HZ-5MHZ,增益大于等于40dB,即Gain>=100V, 故考虑多级放大器级联。
假设放大电路的高频响应用下面单极点函数表示:
带宽增益积(GBP)是衡量放大器性能的一个重要参数。电压反馈型运放
A()=/(1+/); (2--1)
式中为放大器的中频增益,w为角频率,为上