作品成效分析

D题　射频宽带放大器

一、任务

设计并制作一个射频宽带放大器。

二、要求

1． 基本要求

(1)电压增益AV ≥20dB，输入电压有效值Ui ≤20mV。AV在0～20dB范围内可调。

(2)最大输出正弦波电压有效值Uo≥200mV，输出信号波形无明显失真。

(3)放大器BW-3dB的下限频率fL ≤0.3MHz，上限频率fH≥20MHz，并要求在1～15MHz频带内增益起伏≤1dB。

(4)放大器的输入阻抗 = 50Ω，输出阻抗 = 50Ω。

2． 发挥部分

(1)电压增益AV ≥60dB，输入电压有效值Ui ≤1 mV。AV在0～60dB范围内可调。

(2)在AV ≥60dB时，输出端噪声电压的峰峰值UoNpp ≤100mV。

(3)放大器BW-3dB的下限频率fL ≤0.3MHz，上限频率fH≥100MHz，并要求在1～80MHz 频带内增益起伏≤1dB。该项目要求在AV ≥60dB(或可达到的最高电压增益点)，最大输出正弦波电压有效值Uo ≥1V，输出信号波形无明显失真条件下测试。

(4)最大输出正弦波电压有效值Uo ≥1V，输出信号波形无明显失真。

(5)其他(例如进一步提高放大器的增益、带宽等)。

三、说明

(1)要求负载电阻两端预留测试端子。最大输出正弦波电压有效值应在RL=50Ω条件下测试(要求RL阻值误差≤5 %)，如负载电阻不符合要求，该项目不得分。

(2)评测时参赛队自备一台220V交流输入的直流稳压电源。

(3)建议的测试框图如图D-1所示，可采用点频测试法。射频宽带放大器幅频特性示意图如图D-2所示。

图D-1　测试框图　　 图D-2　幅频特性示意图

四、评分标准

报　告　1

基本信息

一、设计方案工作原理

1.任务解析

根据该题的各项技术指标要求，采用宽带宽、低噪声、高增益的程控放大器是本题的重点，也是确定方案时需要综合考虑的问题。为了满足高增益宽带宽的要求，该设计需选择高增益带宽积的放大芯片，同时注意阻抗匹配；为了实现增益可变，需要利用增益程控芯片；为了保证带宽内的平坦，需要选择在固定放大倍数下通频带能够保持平坦，或是多级之间的增益频率变化特性能互补而平坦的芯片；为了满足低噪声要求，从第一级开始就需抑制噪声，并在各级中减少噪声的带入。综合考虑后，决定将电路定为四级，其中第一级主要进行阻抗匹配和噪声抑制，固定增益放大；第二级和第三级都是程控增益控制，以实现高增益、宽带宽和增益可变的平衡；第四级采用电流反馈放大器进行功率放大。

2.技术方案分析比较

(1)前级放大模块的论证与选择

方案1：使用OPA657作为第一级放大，按照该芯片手册的说明，在+7倍增益时，OPA657的增益带宽积高达1.6GHz，是高增益带宽积，低扰动的电压反馈型放大器。在单级能够保证带宽和精确度的情况下放大小信号，完全满足题目100MHz带宽的要求。

方案2：使用OPA846或OPA847芯片，这两种芯片性能相近，都是具有超低输入电压电流噪声，超高增益带宽积的芯片，OPA846在放大10倍的情况下，有400MHz的带宽，而OPA847具有3.9GHz的增益带宽积，且两种芯片的输入电压噪声也极低，能有效压制噪声。

经实践，我们发现OPA657满足带宽100MHz的要求，但的输入电压噪声难以压制，无法达到60dB条件下，输出噪声峰峰值小于100mV的要求，而OPA846具有  的输入噪声电压，OPA847具有噪声电压，同时增益带宽积为 3.9GHz， 适合高倍数放大，满足题目要求。为追求更高指标，选用OPA847，所以采用方案2。

(2)中间程控放大级的论证与选择

方案1：采用单级VCA810进行程控放大，单片机输出电压经过反向，产生-2V～0V的控制电压，实现单级-40dB到+40dB的增益变化。但理论固定带宽只有35MHz，难以达到拓展部分所有技术指标的要求。

方案2：使用精密电位器改变放大器的反馈电阻实现增益可调，但会给电路系统带来干扰，且在高频时，电位器产生电容效应，使得增益不够平坦。

方案3：使用宽带程控集成放大器。利用VCA822进行程控放大，VCA822在增益为10dB时带宽达到150MHz，控制电压在-1～+1V，需要对单片机的控制信号进行电平移动，较为繁琐。利用VCA820进行程控放大，VCA820的性能和VCA822相似，只是控制电压为0～2V。如选用VCA821，VCA821与VCA820兼容，控制电压也一致，在放大两倍的小信号情况下，带宽达到710MHz，完全满足题目要求。

因此我们选用方案3中的VCA821，且采用两级级联的方式，在增大可调范围的同时，保证中间级有足够的带宽。

(3)后级电压放大模块的论证与选择

方案1：利用电流反馈放大器THS3091作为末级功放带动50Ω负载，THS3091为电流反馈放大器，没有严格的增益带宽积，比较适合高频设计，另外电流反馈放大器的优点是输出电流大。

方案2：选用电流反馈放大器OPA695作为末级功放，根据数据手册，OPA695在放大8倍的情况下，仍然具有450MHz的增益带宽，且输出电压能达到±4.2V。

方案3：选用电压反馈型放大器OPA847放大20倍，OPA827具有3.7GHz的增益带宽积，且经过计算，OPA847完全能接50Ω负载，达到1V真有效值输出。

通过对比实验发现，3个方案都能满足带宽要求，但在带负载能力上，方案1更能有效满足题目的所有要求，因此我们选用方案1。

3.系统结构工作原理

(1)系统构成

系统框图如图D-1-1所示。

图D-1-1　系统框图

(2)放大器增益带宽积分析

电压反馈型运算放大器的增益和带宽之间存在一定的关系，增益越高，带宽越窄，增益带宽积：BW ·AV =常数，所以在放大器设计时，应在增益和带宽之间进行折中的选择。按照题目发挥部分的要求，信号通频带为0.3～100MHz，最大电压增益AV≥60dB，则最小的增益带宽积为：100M×1000= 100GHz。

电流反馈型(CFB)运算放大器的开环响应是输出电压对输入电流的响应，与电压反馈型运放不同，电流反馈运放没有恒定的增益带宽积，随着频率的增加，它可以在较宽的频率范围内保持高增益。但这是以牺牲反馈电阻的选择范围为代价的，当设计特定的放大倍数时，应根据所选用芯片的数据手册中提供的数据选择特定的阻值。

本系统采用的OPA847的增益带宽积是3.9GHz，VCA821的带宽在小信号时为710MHz,大信号时为320MHz，都是宽带运放，符合设计需要。

(3)增益分配的计算

题目中要求系统增益在0～60dB可调，带宽为100MHz以上，1mV真有效值输入时最大真有效值输出幅度大于1V。由以上分析，该系统共分为四级。第一级采用OPA847构建同相放大器，考虑到第二级输入大于200mV易失真，因此第一级输出信号幅度不宜过大，所以该设计的第一级放大8倍，获得18.05dB左右的增益，第四级放大5倍，获得约13.98dB的增益，中间两级串联程控级可调范围为-40dB～+30dB，所以系统总增益实现了0～60dB可调。

(4)带宽计算

图D-1-2方框中标明了各级的增益分配，以及计算出每级的最大通频带的上限频率。系统通频带由三级放大电路共同决定。满足0.3～100MHz的通频带要求。

图D-1-2　带宽计算图

(5)频带内增益起伏的控制

经过上面合理分配各级增益，使得各级带宽满足要求，四级级联后，1～80MHz内增益起伏小于1dB。为了尽可能排除其他因素影响增益起伏，选用极低电压噪声芯片OPA847作为第一级放大，并调节直流偏置。最终达到1～100MHz内增益起伏为0.9dB左右。

4.功能及技术指标实现方法

(1)前级放大电路

第一级的作用主要是进行阻抗匹配和噪声抑制，所以信号输入端加了50Ω电阻接地进行匹配，并且使用屏蔽线连接信号源，从而达到阻抗匹配和抑制噪声的作用。而电路本身又必须具有高信噪比，并尽量减少噪声的带入，尤其是电源方面，除了采用在总电源入口端用大电容进行滤波外，还在芯片的电源入口处加了10μF和0.1μF电容进行滤波，并且PCB布局及布线时，将电源和信号层布在不同层上，地线布置时，信号地也尽量远离电源地。所以第一级需要花精力去做精做好。

图D-1-3　OPA847前级放大电路图

第一级选择的放大器芯片为OPA847，设计将其配置成8倍的放大倍数，用±5V电源供电，能够很好地实现降噪并拓宽带宽的要求。图D-1-3为OPA847前级放大电路图，图D-1-4为前级OPA847在TI软件TINA中的仿真结果。

图D-1-4　前级OPA847在TI软件TINA中的仿真结果

(2)中间程控级电路

中间级采用两级串联的VCA821，它在放大20dB时的带宽仍可以达到320MHz，满足题目要求，其有多种配置方式，不同的配置方式随着最大增益的提高，带宽会下降，综合考虑题目的要求及需要，本设计将其配置为最大增益20dB的模式，从而使其带宽能达到320MHz，并且采用两级级联，可以有更大的可控范围，从而满足题目的要求：增益在0～ 60dB 范围内可调。

由于高增益宽带放大电路，直流零点漂移是个需要考虑的问题，所以在该两级连接处加入了抑制直流零点漂移电路，以使小信号能大倍数放大，而不失真。图D-1-5中R10即为调直流偏置电阻。图D-1-5为两级VCA821级联图，图D-1-6为两级VCA821级联在TI的TINA的仿真结果。

图D-1-5　两级VCA821级联图

图D-1-6　两级VCA821级联在TI的TINA的仿真图

(3)末级放大电路

末级采用一级THS3091作为功率放大，它是电流反馈放大电路，其优点是电路带宽受增益的影响较小，可以在放大的同时，满足带宽要求，带宽主要受反馈电阻的影响，因此我们根据芯片手册上的电路对其外围电路进行设计，虽然其推荐电压是±15V，但考虑到系统的噪声及供电，采用可行的±5V对其供电，使THS3091的通频带较高。经过几次尝试，选择增益为10倍(但其输入端有个50Ω对50Ω的阻抗匹配，所以整体为放大5倍)，带宽超出100MHz，且带内平坦度好，能够满足题目的带负载能力，图D-1-7为末级THS3091放大电路图，图D-1-8为末级THS3091的TI软件TINA的仿真结果。

图D-1-7　末级THS3091放大电路图

图D-1-8　末级THS3091的TI软件TINA的仿真结果图

(4)电源电路设计

直流稳压电源采用通过变压器、7815芯片、7805芯片，将220V转换为±15V和±5V直流电源，给整体电路供电。

5.测量控制分析处理

(1)测试方案

图D-1-9　测试方法示意图

运用Multisim先对每一级电路进行软件仿真，调整参数，达到要求后焊接电路，进行单级测量，包括是否达到预定增益指标，增益起伏是否满足要求等。

成功后，将四级级联，整体测试，初步得出结果，再将电路进行固定，调整布局，进行指标测量及电路参数修改，最后进行装箱调试。

(2)测试条件与仪器

测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器：F120M函数发生器，Agilent 350M示波器，数字万用表。

(3)测试结果及分析

将各级电路级联起来，模拟电压输出至VCA821，手动调节增益。测试最大放大倍数、带宽、噪声，测试相关参数。

① 带宽平坦度、截止频率测试：当供电电压为±5V时，输入有效值Ui=1mV，增益为 60dB 时，测量出输入信号频率与增益之间的关系如表D-1-1所示：

表D-1-1　输入有效值Ui=1mV，增益为60dB时，带宽平坦度、截止频率测量结果

从表D-1-1所测数据可以看出，在输出达到1V有效值时，增益达到60dB。在0～ 100MHz 内，满足1dB的增益变化平坦度，3dB带宽达到140MHz，远超过题目要求。

② 噪声测试:在增益大于60dB的情况下，将输入接地，测得输出噪声等于130mV峰峰值，离题目要求存在一些差距。经过分析,可能是级与级连接时，虽采用屏蔽线，但仍不如直接将各级画在一块板子上效果好；中间级和最后一级功率放大中，放大器本身存在电压噪声，选择时，并未考虑得很周到，被引入电路；地线布置中，未能将信号地和电源地很好地隔离，地线产生了一定的影响。

③ 增益特性测试：当供电电压为±5V，输入信号频率为10MHz， 最小输入为1mV有效值时，输出最大为峰峰值6.484V。当输入为20mV有效值时，输出最小为峰峰值20mV。

增益特性测试结果见表D-1-2。

表D-1-2　增益特性测试结果

从表D-1-2中数据可以发现系统增益在0～60dB范围内连续可调。

二、竞赛工作环境条件

测试仪器：示波器(Agilent 350MHz)；数字万用表(Agilent 34460A)；函数发生器(Agilent 33522B)。

三、作品成效总结分析

根据实测数据表明，在设计中，选用OPA847,VCA821和THS3091分别作为前级放大、中间级程控和末级放大的电路组合，很好地满足了输入小于1mV有效值时，增益在0～60dB范围内连续可调，1～100MHz范围内增益起伏小于1dB，上限频率达到140MHz，以及输出电压值，噪声，输入、输出阻抗等性能指标要求。

四、参考资料

[1]黄智伟.射频小信号放大器电路设计.西安：西安电子科技大学出版社，2008

[2]钱振宇.开关电源的电磁兼容性.北京：电子工业出版社，2005

[3]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程.北京：电子工业出版社，2005

[4]惠意欣.运算放大器——理论与设计.北京： 清华大学出版社，2006

[5]童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2001

[6]黄智伟.射频功率放大器电路设计.西安：西安电子科技大学出版社，2009

[7]OPA843 芯片手册

[8]VCA821 芯片手册

[9]THS3091芯片手册

报　告　2

基本信息

一、设计方案工作原理

1.系统方案设计

根据题目要求，本系统主要由五个模块组成：前级输入缓冲电路，增益控制电路，功率放大电路，A/D采样电路，显示电路。在前级放大电路中采用高速低噪声放大器OPA843作为输入缓冲，增益控制使用VCA821两级级联放大输入信号，扩大增益可调范围， 增益控制可以使用模拟控制，也可以使用单片机数字控制，最后一级应用功率放大电路来提高负载驱动能力。最终使系统能够实现在0.01～120MHz带内起伏不超过1dB，上限截止频率大于120MHz，最大增益大于60dB，完成发挥部分要求时，系统增加了A/D采样电路，可以输出波形的峰峰值，并显示出来。系统框图如图D-2-1所示。

图D-2-1　系统设计总体框图

2.功能指标实现方法与方案选择

(1)增益控制的选择

方案1：简单的放大电路可以由分立元件三极管或者场效应管搭接的放大电路实现，用高频场效应管多级级联，对电路输出用二极管检波产生反馈电压调节前级电路的增益。但是由于分立器件太多，多级级联，工作点不好控制，且到达射频段，反馈电路控制不易，易引起电路自激。

方案2：利用可编程放大器的原理，将输入的交流信号作为高速D/A的基准电压， 这时的D/A作为一个程控衰减器。理论上讲， 只要D/A的速度够快、精度够高就可以实现很宽范围的精密增益调节。但是控制的数字量和最后的增益(dB)不成线性关系而是成指数关系， 造成增益调节不均匀，精度下降。

方案3：用控制电压和增益呈线性关系的可变增益放大器来实现增益控制，如VCA821。

用电压控制增益， 便于单片机控制， 同时可以减小噪声和干扰。而且目前集成的压控增益放大器的带宽能做到100MHz以上的也是比较多的。综合考虑，最终选择方案3。

(2)功率放大的选择

经过压控放大器，实现60dB的增益要求还是不够。因此需要再加入最后一级功率放大电路来提高放大电路的带载能力。

方案1：用分立元件搭建射频放大电路。使用分立元件设计困难,调试繁琐，但是易于控制输入、输出电阻，比较灵活。

方案2：使用集成电路芯片。使用集成电路芯片电路简单、使用方便、性能稳定、有详细的文档说明。但是本题中有很明确的输入、输出阻抗要求，因此还要进行相应的阻抗匹配设计。

由于本题要求最大输出正弦波电压有效值 Uo ≥1V，峰峰值大于3V，且通频带大于 100MHz， 这样的功率放大集成模块比较多，利用分立元件太过繁杂，综合考虑选择方案2。

(3)控制系统的选择

在压控放大时，需要给出一个直流量来控制相应的增益，该方案考虑选用单片机给出D/A输出量或直接用模拟电压控制。

方案1：使用片外D/A集成芯片，一般的D/A集成芯片的位数比较高，精度很高，但是占用单片机较多I/O口，对压控模块会有一定的干扰影响。

方案2：直接选用MSP430的片内D/A模块，精度为12位，引线简单，但精度不够高。

方案3：直接使用模拟电压来控制。直接使用模拟电压控制可以减小控制系统对电路指标的影响，提高放大电路性能。

在本系统中，综合考虑优先采用方案3，之后也用单片机实现方案2。

3.系统理论分析与计算

(1)宽带放大器设计

根据题目要求，电路由四级组成，即输入缓冲级、两级压控增益控制级及输出级。

前级输入缓冲电路要求低噪声，抑制零漂，增益带宽积大，TI公司的OPA84X系列是高速低噪声放大器，综合考虑选择OPA843。OPA843的噪声电压为2.0 ，增益带宽积为800MHz，符合题目要求。

压控放大器性能比较好的有TI公司的VCA810系列、VCA82X系列和ADI公司的AD83XX系列、AD603。VCA810可从-40dB到+40dB任意增益可调，单片即可满足0～ 60dB 的增益范围调节，但是VCA810只有35MHz恒定带宽，不能达到100MHz带宽；VCA82X系列带宽均可大于100MHz，且可控增益均可达到30dB以上，要满足60dB增益可调，可采用两级级联；AD603配置可控增益为-11dB到+30dB时带宽为90MHz，但实际效果并不能达到理论上的带宽；AD83XX系列带宽和可控增益均可满足要求，但是目前没有该芯片资源。

综合分析，我们发现VCA820，VCA821，VCA822作为压控放大器均符合题目要求(增益大于60dB，带宽>100MHz)。 VCA820的芯片引脚分布和控制特性均与VCA821相同，但是 0.1dB 和20dB增益的带宽频率特性略差于VCA821，且VCA821的频率特性也远大于VCA822，所以我们最终选择VCA821作为压控增益放大，VCA820作为备选方案。

VCA821的电压控制增益基本呈线性关系，且其最大增益约为30dB，若要实现60dB的增益，需要用两级VCA821级联，这样两级VCA821的输出理论上可以达到0～60dB。

一般情况下电压反馈型放大器都会受增益带宽积的限制，而电流反馈型放大器则没有这种限制。在本题中，我们选用电流反馈型放大器作为输出级驱动电路。电流反馈型放大器有很多种，我们选用比较熟悉的THS3091。THS3091的驱动电流为250mA，负载输出电压大于 1V 有效值。

(2)通频带内增益起伏控制

题目要求下限频率fL≤0.3MHz， fH≥100MHz，并要求在 1～80MHz 频带内增益起伏小于1dB，VCA821在增益G=40dB时，带宽为170MHz。VCA821在0～100MHz时，带宽平坦度几乎没有衰减。两级级联可以实现题目要求。

THS3091功率放大器在0～100MHz时，带宽平坦度几乎没有衰减，可以满足题目要求。

(3)放大器的增益调整

如前级放大电路固定增益约为10倍，最后一级的固定增益为10，即电路中固定增益为 20dB， 要实现0～60dB可调，中间增益控制范围为-20～+40dB，而两级VCA821的增益控制可以做到-20～+40dB的调整。

二、硬件电路设计

1.前级放大电路

我们选用低噪声电压反馈放大器OPA843作为系统的前级放大电路，考虑到前级放大电路与同轴电缆的匹配，以及考虑输入阻抗的大小，我们用同相放大。严格按照芯片手册上的电路图设计外围电路，电路如图D-2-2所示。

2.VCA821增益可调电路

电路如图D-2-3所示，VCA821的最大增益是40dB，增益过大，带宽则不能达到题目要求，因此将VCA821的增益模式设置为20dB，这样可以保证100MHz内的平坦度很好。

3.功率放大模块

电路如图D-2-4所示，THS3091是电流反馈放大电路，其电路增益大小和带宽受反馈电阻的影响很大，因此我们严格按照芯片手册要求设计其外围电路，同时我们发现用±15V电压供电时，THS3091的通频带更高。

图D-2-2　OPA843前级放大电路

图D-2-3　VCA821两级级联电路

图D-2-4　THS3091放大电路

4.抗干扰措施和减小噪声

(1)印制电路板，匹配线宽，线间距，以及覆铜的区域，信号源层与电源层之间用底层隔开，很好地起到屏蔽作用。

(2)将输入部分通过低噪声低温漂的高速运算放大器，减小前级噪声引入。

(3)将输入部分和增益控制部分装在屏蔽盒中，避免级间干扰和高频自激。

(4)电源隔离，各级供电采用磁珠隔离，输入级和功率输出级采用隔离供电， 输入级电源靠近屏蔽盒就近接上1000μF 电解电容， 盒内接高频瓷片电容，通过这种方法可避免低频自激。

(5)在电源端配置各种频率的电容并联，通过检测其幅频特性确定最低的电源输出噪声。

(6)D/A隔离。数字部分和模拟部分之间除了电源隔离之外，还将各控制信号用磁珠隔离。

三、程序功能描述与设计思路

1.程序功能描述

程序部分用于增益控制以及A/D采样显示输出峰值。

(1)键盘实现功能：增益步进。

(2)显示部分：显示峰值，有效值。

2.程序流程图

见图D-2-5。

图D-2-5　程序流程图

四、作品成效总结分析

1.软件开发环境

(1)IAR Embedded Workbench Evaluation for MSP430 5.50

(2)Altium Designer Summer 09

2.测试方案

首先将电路级联起来，模拟电压输出至VCA821，手动调节增益。测试最大放大倍数、带宽、噪声，之后切换至数字控制VCA821，测试相关参数，最后显示任意输入信号的峰峰值和有效值。

3.测试条件与仪器

(1)测试仪器

Agilent 350M示波器，F120M函数发生器，数字万用表。

(2)测试结果及分析

当供电电压为±6V时，输入有效值Ui=1mV，增益为60dB时，测试输出以及增益表如下：

表D-2-1　输出电压及增益测试表

续　表

从表D-2-1可以看出在增益为60dB左右时，通频带在10kHz～120MHz内1dB起伏，由于测试仪器的局限，-3dB点未能精确测量。

4.噪声测试

当输入信号接地时输出信号峰峰值为85mV。

5.数字增益步进测试

连接数字单片机到电路，可以实现0～65dB之间增益步进可调，步进值为5，可以达到题目的设计要求。

五、参考资料

[1]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006

[2]康华光.电子技术基础模拟部分[M].北京：高等教育出版社，1998

[3]德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用手册——高速信号链，2010

[4]基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计.西安：西安交通大学出版社，2004

[5](日)冈村迪夫，等.OP放大电路设计.北京：科学出版社，2004

报　告　3

基本信息

一、系统方案设计

根据题目要求，本系统主要由LNA低噪声放大模块、前级放大模块、可控增益模块、电源模块等组成，系统组成框图如图D-3-1所示。

图D-3-1　系统组成框图

1.LNA低噪放模块的论证与选择

方案1：采用分立元件搭建，由于是低噪放，可采用Infineon的BFP640，其噪声系数较小，而且BFP640是射频常用前级LNA，频率可以达到GHz数量级。但是其带内波动比较大，级联起来可能会产生自激。

方案2：采用超低噪声集成运放OPA847做LNA，该方法简单易行，而且噪声会比较小，调试比较方便，虽然没有射频晶体管BFP640那么高的上限频率，但是OPA847的增益带宽积可达3.9GHz，完全可以满足题目的要求。

方案3：可采用Avago公司的MSA-0611来做LNA，其增益在19dB时增益带宽积可达700MHz，而且其噪声系数在500MHz时增益为3dB。但是由于时间问题，没有芯片，电路难以调试。

综合以上3种方案，选择方案2。

2.前级放大模块的论证与选择

方案1：由于整个系统的噪声性能主要取决于第一级低噪放LNA，所以低噪放后的放大器对噪声的要求可以相对得到缓解，但是考虑到整个系统的噪声性能以及高增益带宽积的要求，所以LNA之后仍然采用OPA847做跟随放大。

方案2：采用电流型反馈放大器OPA695，OPA695拥有出色的转换率以及满足要求的增益带宽积，但是噪声比较大，可能对后级影响较大。

综合以上2种方案，由于前级采用低噪声放大，所以在噪声指标上对后级的要求相对较低，故选择方案2。

3.可控增益模块的论证与选择

方案1：由前几级放大器将增益放大到60dB，然后采用电阻网络做衰减。用0603封装的电阻做成的π或者T型网络衰减，频率上限可以做到几百兆。但是这种方法需要大量的电阻网络，而且焊接起来比较麻烦，阻值不好选择。

方案2：采用精密电阻器做衰减，但是由于其高频性能比较差，频率做不到上百兆，并且该电阻产生的热噪声较大，使得系统噪声加大。

方案3：采用可控增益放大器VCA822，VCA822是放大倍数与控制电压呈线性关系的放大器，通过单片机给VCA822的控制脚Vg，就可以方便的调节放大器的增益，而且VCA822的频率可以做到160MHz左右，带宽基本满足题目要求。但是其增益控制范围只能是-20～20dB，而题目要求是0～60dB。所以可能需要两级VCA822级联来做控制，可控增益模块就可做到 -40～40dB。

综合以上3种方案，选择方案3。

二、系统理论分析与计算

1.增益带宽积的分析

增益带宽积是增益和带宽的乘积，集成运放的增益带宽积是一个常量。按照本设计要求，带宽为0.3～100MHz，电压增益为60dB。由AV=20lgG,可得G=1000，即放大1000倍，则增益带宽积为1000×100MHz=100GHz。所以不可能采用一级放大器，必须采用多级级联的方式。

(1)前置放大器

由数据手册可查得OPA847的单位增益带宽为3.9GHz,若考虑到放大器输出平坦度的要求(其0.1dB平坦度带宽为80MHz)，根据公式，其增益分配如下：第一级OPA847电压增益为11倍，第二级OPA847电压增益为11倍，总共增益为121倍。

(2)压控增益控制放大器

根据压控增益控制放大器VCA822的基本特性，其增益范围为 -20～20dB，因此用两级级联，可控增益范围为-40～40dB，带宽为160MHz。

2.阻抗匹配的分析

作为小信号高频放大电路，必须对输入和输出进行阻抗匹配。因为阻抗匹配问题，级与级之间必然会衰减1/2，所以必须把增益做到足够大，才能满足放大60dB的要求。

3.通频带的计算

题目要求通频带为0.3～100MHz，由于采用了多级级联的方式，这样就降低了对每级放大器的带宽要求。但是每级放大器的带宽必须满足其增益的要求。比如前两级采用了OPA847放大11倍，而其增益带宽积可达到3.9GHz，所以其带宽完全可以做到100MHz；可控增益放大器VCA822恒定带宽为160MHz，也能够满足通频带的要求。

4.带内增益起伏波动的计算

题目要求在1～80MHz的频带内增益起伏小于1dB，也就是要求带内平坦度比较好，但是该方案发现多级放大器级联之后1dB点小于80MHz。两级OPA847级联出来1dB点可以达到80MHz，但是再级联两级VCA822之后1dB点就会下降，基本上只能达到 50MHz 左右。

查阅OPA847的芯片手册后发现其系统函数在增益不同时，在100MHz左右会有凸峰，如图D-3-2所示。

图D-3-2　OPA847频率特性

所以我们把OPA847的增益调节在12倍左右，这样在100MHz左右会有凸峰，这个凸峰与之前VCA822的衰减相互补偿就可以把衰减1dB的点提高到80MHz,使得带内平坦度更好。

三、硬件电路设计

1.LNA低噪放前级放大电路

LNA低噪声放大电路如图D-3-3所示，电路由两级同相比例运算放大器组成。调试时是按照数据手册上的反馈电阻值来搭建的，这样选择是因为选择低增益时，比如放大12倍，整个电路的幅频特性出现凸峰，导致带内的波动幅度大于1dB。但在调试中发现，在与后级可控增益放大器级联时其带内衰减比较严重，所以又将前两级的增益调为每级12倍，这样出现凸峰即可补偿后级可控增益放大器的带内衰减。

图D-3-3　低噪声放电路

2.电压增益控制系统电路

VCA822是一款频带较宽，增益调节范围大的压控增益放大器，其增益调节范围为-20～20dB，当Ug=1V时增益达到20dB，当Ug=-1V，增益为-20dB。VCA822的信号带宽最大可以达到150MHz。

当VCA822按照其典型应用电路连接时，其增益公式为G=Rf/Rg×Ug；这样通过改变控制电压就可以改变放大器的增益。

但是其增益控制电压为-1～1V,所以需要一个减法电路，将负电压转换成正电压输出，电路如图D-3-4所示。

图D-3-4　减法运算电路

给定Ui1=1V，这样输出Uo=Ui2-1；通过单片机的D/A端给出0～2V的控制电压，即可实现Ug从-1V到1V的电压控制。

3.补偿网络

由于带内波动比较大，频率不到80MHz时就已经衰减 1dB，所以采用了RC并联网络来实现波动的补偿。

如图D-3-5所示，在两级运放之间串上RC并联网络。这样前级运放输出的50Ω与后级输入接地的50Ω电阻形成的网络在高频时会出现凸峰，这样就可以补偿带内的衰减。

图D-3-5　带内波动补偿网络

4.电源

电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供±5V和±12V电压，确保电路正常稳定工作。这部分电路都采用常用三端稳压器构成线性稳压电源来实现。

四、程序的设计

1.程序功能描述与设计思路

根据题目要求，软件部分主要实现键盘的设置、显示和控制D/A输出。

(1)键盘实现功能：设置D/A输出值。

(2)显示部分：显示D/A输出值。

(3)D/A：输入数字量，输出模拟电压值，作为压控增益放大器的输入。

2.程序流程图

主程序流程图如图D-3-6所示。

图D-3-6　主程序流程图

五、竞赛工作环境条件

1.测试仪器

示波器(Tektronix、DPO4054)；函数发生器(SP2461)；万用表(LINI—T、UT05A)。

2.测试条件与仪器

测试条件：首先对电路进行多次检查，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。

六、测试结果

带宽测试：在输入1mV有效值的情况下(放大增益为1000倍)，见表D-3-1。

表D-3-1　带宽测试结果

噪声测试：在增益为1000倍时，输入短接到地，测得输出信号峰峰值为96mV。

增益测试：用单片机可以实现0～60dB可调。

七、结论

由综合测试可知：当在通频带内时，其最大幅值与最小幅值的比值1.10/1.02，对其取对数计算，则带内波动为20log(1.10/1.02)=0.65dB。即在0.3～80MHz之间变化时，其带内波动仅为0.65dB，而且当频率达到150MHz时，才到达3dB衰减点。上限频率远远大于题目要求频率，从而进一步扩展了频带。

八、参考资料

[1]曲学基,等.新编高频开关稳压电源.北京：电子工业出版社，2005

[2]钱振宇,等.开关电源的电磁兼容性.北京：电子工业出版社，2005

[3]黄智伟,等.全国大学生电子设计竞赛训练教程.北京：电子工业出版社，2005

[4]马忠梅,等.单片机的C语言应用程序.北京：北京航空航天出版社，2007

[5]童诗白,华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2001

[6]郑国川,李洪英.实用开关电源技术.福州：福建科学技术出版社，2004

报　告　4

基本信息

一、设计方案工作原理

1.技术方案分析比较

方案1：采用信号链AD8138+AD8330+OPA690+THS3091的形式。此方案信号通过AD8138单端输入，差分输出到宽带增益可变芯片AD8330，再通过OPA690输入到THS3091，THS3091用于提高电路的驱动能力。

(1)芯片AD8138的-3dB带宽为320MHz，AD8330的工作带宽为150MHz，OPA690在Gain=2的前提下工作带宽为220MHz，而THS3091在Gain=2的前提下工作带宽为210MHz。可见芯片的工作带宽满足题目要求。

(2)AD8138是宽带增益可变芯片，可实现DC到150MHz的增益可控。通过控制UDBS在 0～1.5V，可实现增益为0～50dB的线性控制(见图D-4-1)。而UMAG可使增益继续增大 0.03～10倍(见图D-4-2)。因此，结合UDBS和UMAG，理论上可以实现-30～70dB增益可调。

图D-4-1　UDBS与增益曲线

图D-4-2　UMAG与增益曲线

(3)最大增益的情况下噪声值为，无法满足对于噪声的要求。分析如下，根据噪声计算公式 σin和Upp=6×σin，在增益为60dB、带宽为100MHz、AD8330的输入电压噪声为的条件下，计算可知

即输出端噪声电压的峰峰值为300 mV，达不到题目的要求。

在实际的电路测试中发现AD8330工作不稳定，电压增益控制比较困难，尤其是UDBS端电压微变就会引起增益的大范围变化，带内波动大，容易发生自激现象。所以该方案不可取。

方案2：采用信号链OPA2695+LMH6502+OPA2695的形式。此方案中前后两级OPA2695增益为10dB，中间LMH6502增益为50dB以上。

图D-4-3　控制电压与增益曲线

(1)芯片OPA2695在增益为8倍的条件下工作带宽为450MHz，LMH6502增益控制带宽为100MHz，满足题目对于带宽的要求。

(2)LMH6502是一个宽带直流耦合、差分输入、电压控制增益的高速电流反馈型运算放大器。该芯片驱动能力强，10MHz以上增益调节范围超过 70dB。 通过控制LMH6502的UG实现对增益的控制。图D-4-3 显示了在条件为US=±5V，25℃，UG=UGmax，Ucm=0V，RF=1kΩ，RG=174Ω，RL=100Ω时，增益与UG的关系。

(3)输入电压噪声为，通过计算得 Vpp=462 mV,不满足题目要求。

LMH6502的性能指标在差分输入的情况下达到最佳。但是采用差分输入的方式，由于工艺的限制，在实际电路测试中发现LMH6502的输出端容易产生高频自激，受噪声的影响较大。所以该方案不可取。

方案3：采用信号链OPA2695+滑动变阻器+OPA2695的形式。直接使用2片OPA2695实现4级放大；通过滑动变阻器的调节，实现对增益的控制。电路整体结构简洁明了。

芯片OPA2695是电流反馈型运算放大器，其性能指标为：

(1)在GAIN=+8V/V的条件下带宽为450MHz，满足带宽要求。

(2)在25℃， f >1MHz的条件下，输入电压噪声为。输出端噪声电压的峰峰值最小为247.7mV，达不到题目的要求。

为达到输出端噪声电压的峰峰值UoNpp≤100 mV，由计算知芯片的输入电压噪声必须小于。由于竞赛时间原因，没有更多时间选用超低噪声的芯片。

(3)能够驱动50Ω的负载。

由以上指标可知，方案3的带宽、增益等均能满足题目的要求。并且电路简洁，制板简单，适合竞赛电路工艺。最终选择方案3。

2.系统结构框图

系统结构框图如图D-4-4所示。

图D-4-4　系统结构框图

(1)电流反馈型结构

本设计中采用电流反馈型运算放大器主要是考虑到电流反馈结构的优点：

① 电流反馈的一个最大优点就是有很好的信号带宽。电流反馈的结构与电压反馈大不相同。电流反馈非常适合用于高速信号，因为它没有基础增益带宽积的限制，具有固定线性度。高频情况下，电流反馈型运算放大器的带宽略微受到增益的约束，但不像电压反馈型器件那么严重。

② 压摆率并非受到内部偏置电流的限制，而是受到晶体管自身速度的限制。这样在给定偏置电流的条件下可以使用更快的压摆率，而不必采用正反馈或其他压摆率提升技术。

图D-4-5　电流反馈型运算放大器
内部结构图

③ 电流反馈型运算放大器有一个输入缓冲器，而非一个差分线对(见图D-4-5)。输入缓冲器一般是一个射极跟随器或其他类似的电路。非反相输入的阻抗很高，而缓冲器的输出(作为放大器的反相输入)则是低阻抗。相比之下，电压反馈放大器的两个输入端都为高阻抗。所以在此次设计中都是采取了同相输入方式。

(2)耦合方式

采用直流耦合方式对正负电源的对称性要求较高，每一级的直流偏置由计算得出。若正负电源与地之间不对称，即有直流偏差，将会逐级放大，对输出会有影响。而交流耦合方式，级间采用耦合电容，可轻松消除各级之间直流偏置的相互影响，但是后级必须加上接地电阻进行直流调整。

在本设计中，信号输入端与第一级、第三极与第四级、第四级与示波器之间采用直流耦合；第一级与第二级、第二级与第三级之间采用交流耦合。

二、理论分析与计算

1.增益计算与分配

按照题目发挥部分要求，最大增益大于60dB，信号的通频带为0.3～100MHz，因此采用多级放大，通过合理设计各级的放大倍数，就能实现题目要求。由于OPA2695在放大倍数为2～10倍之间工作稳定，所以本次设计分为四级放大。各级增益分配如图D-4-6所示。

图D-4-6　增益分配示意图

在本设计中均采用同相输入方式。同相比例运算电路的电压放大倍数为

第一级电压放大倍数为

第二级电压放大倍数为

第三级电压放大倍数为

第四级电压放大倍数为

总的放大倍数为

AV=17+20.1+18.8+15.1=71(dB)

由于电路中接有电阻以及滑动变阻器等原因，增益会有损失。由最终测试可知该电路能够实现1000倍(即60dB)以上的增益。

2.频带内增益起伏控制

造成通频带内增益起伏的原因有很多，包括带内波动、运放幅频响应不平坦及供电电源电压不稳定等。

为简化电路设计，本作品并没有设计专门的滤波器电路进行滤波，但由于题目发挥部分要求带宽较宽，为提高通带内的信噪比，采取了以下措施：① 对各级电路反馈电阻阻值进行精确合理匹配；② 各级之间串联一个小电阻，隔离后级的杂散电容；③ 局部多级RC滤波，减小波动。

3.放大器稳定性控制

系统的稳定性取决于系统的相位裕量。自激振荡是由于信号在通过运放及反馈回路的过程中有附加相移，假如相移接近180°，则电路产生正反馈。

由于电路工作频率高，运放级数多，且噪声的频谱很宽，所以稳定性易受影响，制作的过程中极易出现自激现象。采取以下措施提高稳定度：

(1)使用芯片手册推荐的测试电路，以保证运放工作在最佳稳定状态。

(2)在总体设计上，芯片布局相互独立，以消除运放间的相互影响。

(3)采用覆铜板制作印制电路板，布板时针对抑制噪声和高频自激，有以下几点措施：

① 采用铜板大面积接地，减小地的回路阻抗，以吸收高频信号和减小噪声；② 布线时考虑信号流向，防止级间干扰；③ 信号线尽可能短，减小噪声影响；④ 控制增益电阻就近接地；⑤ 电源偏离运算放大器，防止各级形成共阻；⑥ 减小芯片底部铺铜面积，以消除寄生电容的影响。

(4)采用同轴电缆连接，输入级和输出级使用SMA接头。

4.增益调整

电压增益调整通过手动调节200Ω的滑动变阻器实现AV在0～60dB范围内可调，调节位置位于第二级与第三级之间。

三、核心部件电路设计

根据系统方案设计，采用两片OPA2695芯片构成四级放大器。整个放大电路供电方式采用直流稳压电源产生±5V电压供电。

1.第一级与第二级放大电路设计

两级放大共用一片OPA2695芯片，均采用同相输入的方式(见图D-4-7)。

图D-4-7　第一级与第二级放大电路图

2.增益调节电路设计

通过滑动变阻器R18对增益进行调节(见图D-4-8)。

图D-4-8　增益调节电路

3.第三级与第四级放大电路设计

两级放大共用一片OPA2695芯片，均采用同相输入的方式(见图D-4-9)。

图D-4-9　第三级与第四级放大电路图

四、竞赛工作环境条件

1.测试环境(见表D-4-1)

表D-4-1　测试仪器清单

2.测试方案

将电路连接起来，输出级加上50Ω负载，然后进行整机测试。通过预留输出端子，测量负载电阻值为50Ω，然后调整函数信号发生器的信号频率及幅值，在示波器上观察得出放大器输出电压有效值，通过计算绘制幅频特性曲线。在某一固定频率点，调节滑动变阻器阻值，观察输入电压值的变化情况。将输入端短接，测量输出噪声峰峰值。

五、作品成效总结分析

1.幅频特性

输入端通过信号发生器输入正弦波，由于函数信号发生器的输出幅值随频率的变化会出现抖动，采用点频法测试时，将信号源直接接至示波器上，校准信号源的输出为定值。

输出端负载：49.5Ω；输入电压有效值：0.9mV；输出有效值1.22V；预置增益：60dB；实测增益：62 dB； 0.1～100 MHz频带内增益起伏最大为0.8dB。性能参数见表D-4-2。

表D-4-2　性能参数数据表

根据性能参数表可绘出幅频特性曲线,见图D-4-10。

图D-4-10　幅频特性曲线

由测试数据可得，实现0.3～100MHz频带内增益起伏≤0.8dB。放大器的下限频率fL约为9kHz，上限频率fH≥120 MHz。

2.输入噪声电压

题目要求在AV≥60dB时，输出端噪声电压的峰峰值UoNpp≤100mV，故对放大器进行噪声测试。测试方法：增益预置为60dB，输入端交流短路，用示波器测量输出端噪声。实测噪声为325mV。

测试结果表明放大器不满足题目对噪声的指标要求且与方案设计时的噪声值有出入，可能是电路中加入了更多的噪声。

3.增益可调测量

调节滑动变阻器阻值，输出电压有效值发生变化，满足0～60dB可调的要求。

4.测试总结

由以上测试结果可以看出，本设计完全能够实现射频宽带放大的功能。

在输入电压有效值为0.9mV时，最大输出正弦波电压有效值稳定在1.22V，放大增益超过62dB，且增益可调，波形稳定无明显失真。下限截止频率为9kHz，上限截止频率超过 120MHz。 增益稳定度高，在0.1～120 MHz频带内增益起伏最大值为0.8dB，满足1～80 MHz内增益起伏小于1 dB的要求。

综合上述测试结果，本设计圆满完成了题目基本部分的要求,同时还提高了放大增益及带宽，较好地完成了题目发挥部分的要求，达到了预期设计目标。

六、参考资料

[1]徐勇.电子线路基础.西安：西安电子科技大学出版社，2011

[2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计.北京：电子工业出版社，2005

[3]Texas Instrument Incorporate．Dual, Ultra-Wideband, Current -Feedback OPERATIONAL AMPLIFIER with Disable,2008.http://www.ti.com.

报　告　5

基本信息

一、系统设计方案论证分析

1.方案比较与选择

(1)前级放大模块设计

考虑到输入信号为1mV，此微弱信号容易被噪声和干扰淹没，因此前级放大器需要具备一定的增益和较好的低噪声性能。前级放大器由两级放大电路构成，具体设计方案比较如下：

① 第一级放大电路设计方案比较

方案1：选择普通宽带运放进行放大，价格稍微低些。但是由于普通运放的失调电压大，噪声大，而且带宽和精度都十分有限，理论上虽然能用反馈的方式扩宽通频带，但是题目要求频带要达到100MHz，普通低价的运放很难达到题目要求，所以本系统不采用此方案。

方案2：第一级放大对整个放大电路来说尤为重要，高质量的前级放大是放大电路的基本保障，故本设计中采用具有频带宽、噪声极低、失真低、增益带宽积大等特点的OPA847做前级放大，该运放具有3.9GHz的增益带宽积，输入电压噪声仅为，完全满足题目对设计的要求，故采用此方案。

② 第二级放大电路设计方案比较

方案1：为了易于实现最大60dB增益的调节，可以采用具有高增益调节范围的可变增益放大器VCA810，VCA810的增益动态范围可达到80dB，满足题目的要求，但是它的带宽只有35M，不能满足100MHz带宽的需求，这个缺点系统没办法弥补，所以不采用此方案。

方案2：采用集成运放级联放大的方式实现题目中电压增益大于60dB的要求，每一级设置不同的增益挡位，通过模拟开关选择各级放大倍数实现信号的级联放大，最终实现的增益等于各级增益(dB)之和。此方案实现原理简单，但运放的级联会引入噪声，对高频小信号影响很大。另外此方案很难达到在通频带内增益起伏不大于1dB的要求，并且使用较多的模拟开关，级联的运放较多，会增加系统的成本和不稳定性，尤其是各级的寄生电容等也会增加放大器级联调试的难度,降低放大器的稳定性，且难以实现放大器增益的连续可调，故也不采用此方案。

方案3：采用高频宽带的压控增益放大器AD8367与有效值检测芯片AD8361形成闭环控制，实现自动增益控制系统，从而实现频带内增益起伏不大于1dB的要求。AD8367的带宽达到500MHz，增益动态范围最大可达到45dB，与峰值检波芯片AD8361配合使用实现自动增益控制闭环放大，电路结构简单，硬件的实现和调试较为简单，所以，决定采用该方案实现本设计。

(2)后级放大模块设计

方案1：采用AD810对信号进行放大，AD810是一款兼容复合视频和高清电视的电流反馈型视频运算放大器，非常适合多媒体、数字磁带机和摄像机等系统使用。0.1 dB平坦度带宽为30 MHz (G=+2)，使AD810成为所有广播级质量视频系统的理想之选。但由于该放大器的带宽略显不够，频率达到100MHz时的增益衰减较大，所以此方案不适用本设计。

方案2：采用THS3091对信号进行放大，THS3091为高电压，低失真，电流反馈型运算放大器，该芯片的带宽达到210MHz，输出最大电流为250mA，考虑到题目要求的负载为50Ω，对输出电流有一定的要求，另外电流反馈型运放的增益与带宽无关，具有更平坦的幅频特性，所以本设计中选择方案2。

综合考虑以上方案，本设计的系统框图如图D-5-1所示。

图D-5-1　系统框图

整个系统由前级放大电路、衰减网络、末级放大电路和反馈电路构成。前级放大电路包括低噪声放大和增益可调放大两部分，第一级放大电路需要对1mV的微弱信号进行放大，因此采用噪声系数较低的OPA847作为第一级放大电路芯片，产生10倍(20dB)的增益。增益可调放大部分采用高性能、电压控制可变增益放大芯片AD8367，该芯片具有500MHz的带宽，且具有最大40dB的动态增益可调节范围。为了使系统的增益调节范围能够在0～60dB内变化，因此在前级与末级放大电路之间加入一个-20dB的π形衰减网络，若所需增益小于40dB，则将衰减网络旁路，若所需增益大于40dB，则接入衰减网络进行增益衰减。后级放大电路采用宽带电流反馈型运放THS3091。反馈电路包括峰值检波和积分放大电路，与压控增益放大器组合形成自动增益控制电路(AGC)，峰值检波电路采用高速宽带芯片AD8361，用AD820起积分器作用，配合检波芯片，来连续测试是否达到要求的电压值，其输出的直流电压信号控制AD8367，实现增益的自动调整。

2.系统稳定性设计

由于放大器过高的增益容易引起自激，造成系统不稳定，因此本系统采用多种形式的抗干扰措施以提高放大器的稳定性并抑制噪声。针对采用的多级放大电路，在中间级采用压控增益放大器来控制放大倍数，后一级采用一个可以选择接入的π形衰减网络，通过实际的测试情况来选择是否接入这个衰减网络；各级间采用同轴电缆相连，避免级间干扰；构建闭环系统，在印制板图设计中每个运放和总的电路都用较粗的地线包围，以吸收高频信号，减小噪声；采用屏蔽铜纸屏蔽外面干扰信号，从而保证各个模块电路能在无干扰的环境下工作。

3.增益平坦度控制

由于各级放大电路所使用芯片的频率特性不同，因此在信号频率变化的过程中增益会产生波动。为了降低增益波动，系统采用了自动增益控制电路以获得较好的增益平坦度。增益控制模块主要由压控增益放大和峰值检波反馈电路组成，其中AD8367实现增益放大，AD8361实现检波输出，输出的有效值信号控制AD820，实现反相比例积分输出。

4.抗干扰措施

由于本系统的处理对象是高频信号，所以整个系统对噪声的处理要求很高。噪声来源包括：电源、外界环境、级间干扰，以及走线间相互干扰等。针对不同的噪声，采用了不同的处理措施：

(1)电源干扰，使用电感和电容构成滤波电路，能有效滤除纹波。在每个运放的电源引脚并联去耦电容。

(2)外界环境干扰，为了防止外界干扰，可以将电源线和地线加宽，并且在制PCB板时加以覆铜；对自动增益级及功率放大级增加屏蔽罩，提高其抗干扰性能。

(3)级间干扰，各级之间，采用了高低频电容来滤除高低频噪声。

(4)走线相互干扰。走线尽量的短，信号线尽量不相交，以免产生高频自激。

(5)电路板要合理布局，防止信号之间的串扰，整个PCB板的底层为地平面，较大的地平面对噪声吸收较好；顶层元件接地直接通过过孔到底层地平面，可以简化顶层布线。

二、核心部件电路设计

1.前级放大电路

第一级放大采用超带宽，低电压噪声，极低失真的电压反馈型运算放大器芯片OPA847实现10倍的固定放大。放大电路输入信号为零时，由于受温度变化、电源电压不稳等因素的影响，会使静态工作点发生变化，并被逐级放大和传输，导致电路输出端电压偏离原固定值而上下漂动，即会产生零点漂移。而且放大电路级数愈多、放大倍数愈大，输出端的漂移现象愈严重。因此在前级放大中，输入信号经过电容实现了阻容耦合，消除了直流偏置影响，并且有效抑制了零点漂移。此处的OPA847使用同相比例放大具有阻抗变换的作用，能够减轻前级负载，提高后级带载能力。输入阻抗设计为50Ω，与信号源阻抗匹配，输入信号经过OPA847后能够放大10倍。

第二级采用的AD8367是一种高性能可变增益，可应用于功率放大控制回路的完整的线性中频AGC放大器，本设计使其在最高500 MHz的中频频率下工作。从外部施加0～1 V的模拟增益控制电压，可调整45 dB增益控制范围。AD8367集成一个平方律检测器，使该器件可用作AGC解决方案， AD8367的可控增益范围为-2.5～42.5dB。第一级和可控增益放大电路之间使用阻容耦合方式，前后级的直流相互独立。电路原理如图D-5-2所示。

图D-5-2　前级放大电路原理图

2.衰减网络与后级放大电路

图D-5-3　衰减网络

整个放大器的最大增益达到60dB，由于压控增益放大器的增益调节范围为-2.5～ 42.5dB， 本设计中通过切换衰减网络满足0～60dB的增益连续可调，中间级无源衰减网络采用π形结构，如图D-5-3所示。该网络使用电阻元件实现，实现10倍的衰减。衰减网络的计算公式如下：

其中Z0为50Ω，N为放大倍数。

后级放大电路由电流反馈运放THS3091构成，理论上前级放大电路已能达到60dB的增益，但是在实际中考虑到当频率较高时系统的增益会有所下降，所以最后一级设计成放大2倍，这样可对系统在高频端增益的下降进行补偿。在无源衰减网络和后级之间设计了控制开关，用于对衰减网络进行旁路和接入控制。电路原理如图D-5-4所示。

图D-5-4　后级放大电路与衰减电路图

3.反馈电路

反馈网络由宽带峰值检波芯片AD8361和积分电路构成，如图D-5-5所示。AD8361的频率响应可达到2.5GHz，输出直流随输入交流信号的幅值线性变化。为了跟踪输出信号幅值的变化，射频输出信号通过峰值检波芯片获得有效值输出，然后由运放AD820与外部参考电压Ug进行比较积分后得到平稳的随输出电压均值变化的直流电压，该直流电压经调节后送入压控增益放大器的电压控制端，实现自动增益控制功能。由于AD8361的输入电阻为225Ω，跨导转换增益为7.5倍，因此其输出直流电压的计算公式如下：

其中R19是与AD8361输入端串联的电阻，在本设计中R19=470Ω，参考电压Ug通过一个可调电阻对5V电源分压，由于压控增益放大器的增益控制电压范围为0～1.2V，理论上根据上式可计算得到Ug=2.9V，但在实际中还需要根据具体电路情况进行调试。

图D-5-5　反馈网络

4.电路设计调试的一些经验

在选择放大器时，首先要考虑到在高频条件下，该芯片增益能够稳定的放大信号，受温度和干扰的影响要小，其次没有自激干扰，不会引入新的噪声。使用OPA847，其稳定性好，干扰小，因此我们采用了它作为前级放大电路。在选择放大倍数以及确定电阻电容的具体值时，我们先查阅其芯片在最好的工作状态时的情况，同时考虑到输入阻抗是50Ω，从而配置出最理想的数值。在调试前级放大电路模块时，要保证其引入的噪声最小，从而保证最后的放大效果最好，所以首先采用电位器来代替电阻值，调试出理想的效果后再用电阻代替，这样可使调试效率大大提高。

压控增益放大电路由AD8367构成，其各个参数的配置和上述基本一致，在独立测试本模块时首先输入一个可调电压来观察增益和输出波形是否稳定，调节频率，再次观察其增益和输出波形。如果效果不理想，则要考虑减小放大倍数和更改阻值。

反馈网络是由宽带峰值检波芯片AD8361和积分比较电路构成。为了减小两个电路之间传输的干扰，我们将这两个芯片放在一起做成一个模块，这增加了调试的难度。开始使用信号发生器输入一个稳定的信号后，测得的输出电压是一个固定的0V或者5V，很难判断其工作是否稳定或干扰是否大，所以这个模块预留了多个测试点来检测电路是否正常工作。而这个反馈网络关系到整个放大器的增益是否稳定，所以一定要多将注意力放在此模块。

中间级无源衰减网络采用π形结构是为了满足增益连续可调范围的需求，原因是压控放大器的增益连续调节范围不够宽，所以采用开关切换衰减网络，使压控增益放大器可以工作在2个不同的增益区间，从而扩展了增益的连续调节范围。

三、作品成效总结分析

1.测试方案及测试条件

(1)开环放大器测试

输入端信号为1MHz，电压为1mV，测AD8361的输出电压。调节电位器，使AD820的输入电压分别大于和小于反相输入电压，测AD820的输出电压，验证反馈的功能，调节10kΩ的可调电阻，使控制端电压在0～900mV之间。

(2)单独调节有效值模块

输入端输入80MHz，1V峰峰值电压，测AD8367的输出电压验证带宽。

(3)AGC联调和标定

① 输入信号为1MHz，1mV，调节AD820的控制端电压Ug，使输出电压为1V(60dB)，记录Ug的值。然后固定Ug的值，改变输入频率到80MHz，观察AGC的效果。

② 输入信号1MHz，100mV，调节Ug，使输出为100mV，记录下Ug的值。

2.测试结果分析

(1)开环

表D-5-1　 开环测试结果(输入电压1mV，放大器增益60dB)

(2)闭环

表D-5-2　 闭环测试结果(输入电压1mV，放大器增益60dB)

由测试结果可以看出，整个射频放大器的带宽能够达到80MHz，增益达到60dB。在输入信号大于40MHz时，开环增益开始变得不稳定，同时受温度影响较大。开环时增益在70MHz的时候有一个最大值，波动起伏大于1dB，而闭环时增益基本保持恒定，增益起伏满足1dB的要求。说明引入AGC电路具有较好的效果。

四、参考资料

[1]成立,杨建宁.模拟电子技术.南京：东南大学出版社，2006

[2]康华光.电子技术基础-模拟部分.第4版.北京：高等教育出版社，2000

[3]陈汝全.电子技术常用器件应用手册.第2版.北京：机械工业出版社，2000

[4]黄争, 李琰.运算放大器应用手册-基础知识篇.北京：电子工业出版社，2001

[5]黄智伟.射频电路设计.北京：电子工业出版社，2006

[6]张肃雯.高频电子线路学习指导 .第4版.北京：高等教育出版社，2005

报　告　6

基本信息

一、设计方案工作原理

方案1：原理框图如图D-6-1所示，场效应管工作在可变电阻区，输出信号取自电阻与场效应管与对输入信号的分压。采用场效应管作AGC控制可以达到很高的频率和很低的噪声，但温度、电源等的漂移将会引起分压比的变化,用这种方案很难实现增益的精确控制和长时间稳定。

图D-6-1　AGC方案框图

方案2：采用可编程放大器，将输入的交流信号作为高速D/A的基准电压，这时的D/A作为一个程控衰减器。理论上讲，只要D/A的速度够快、精度够高可以实现很宽范围的精密增益调节。但是控制的数字量和最后的增益(dB)不成线性关系，而是成指数关系，造成增益调节不均匀，精度下降。

方案3：采用高频宽带放大器件构成多级放大器将信号先进行放大，然后通过数控衰减器件进行增益衰减，通过控制衰减器的状态进行增益调节。此方案，电路构成简单，增益调节方便，可满足设计要求。

综上所述，选用方案3。

二、核心部件电路设计

本设计采用高频宽带放大器件ERA-50SM、MAR-6SM、ERA-5SM构成四级宽带放大电路，采用数控衰减器HMC307QS16G构成衰减电路，通过控制其状态改变电路增益。

ERA-50SM、ERA-5SM是低热阻小型微波放大器，最高工作频率可达10GHz， 0.1GHz频率范围内增益均超过20dB，耐高温，噪声小。MAR-6SM是一款宽带放大器件，带宽可达 2GHz， 0.1GHz频率范围内增益可达到21.8dB，低噪声，低工作电流。HMC307QS16G为数控衰减器件，通过控制其管脚电平可实现0～31dB增益调节，步进可达1dB，因此采用两块该器件可实现0～60dB增益调节。

1.总体电路框图

根据选择的方案，设计本射频宽带放大器的系统框图如图D-6-2所示。

图D-6-2　系统方案框图

2.电路原理图

本系统主要由滤波电路、放大电路、衰减电路以及控制电路等部分组成，其电路原理图如图D-6-3所示。

图D-6-3　电路原理图

3.放大电路部分

放大部分电路如图D-6-4所示，输入信号经滤波电路后进入由集成芯片ERA-50SM、MAR-6SM、ERA-5SM构成的四级放大电路，三种器件均具有高增益、高工作频率的特点，采用其典型应用电路即可。该电路最高增益可达到60dB以上，满足设计要求。

图D-6-4　宽带放大电路

4.衰减电路部分

衰减部分电路如图D-6-5所示，采用数控衰减芯片HMC307QS16G，从其14脚输入信号，11脚可获得衰减后的输出信号。其7、6、4、2、1脚分别对应着U1～U5五个控制端，通过改变其工作电平可分别获得16dB、8dB、4dB、2dB和1dB的增益衰减，其状态如表D-6-1所示。

图D-6-5　衰减电路

表D-6-1　衰减器状态表

可见，每块HMC307QS16G可实现0～31dB的增益衰减，步进可达1dB，采用两块该芯片则可实现0～60dB增益调节。

衰减器HMC307QS16G的工作状态由开关S7～S11控制，开关打开，管脚电平为高，实现对应位数的衰减，开关闭合，管脚电平为低，则对应管脚不衰减。

三、竞赛工作环境条件

系统调试所使用的仪器设备如表D-6-2所示。

表D-6-2　调试用仪器设备

四、作品成效总结分析

1.增益测试

从信号源输出一个有效值为1mV的正弦信号，改变信号频率，用示波器测试系统输出信号的最大不失真电压，计算放大倍数及增益值。

2.增益调节范围测试

从信号源输出一个1mV、10MHz的正弦信号，用示波器测试输出信号的幅度，改变衰减器的工作状态，测试输出信号的幅度变化，计算电压增益可调范围。

3.噪声电压测试

在最高增益状态，将放大电路输入端短路，用示波器测试输出端信号的幅度，记录噪声电压的峰峰值。

4.带宽测试

在最高增益状态下，从信号源输出一个有效值为1mV的正弦信号，改变信号频率，用示波器测试输出信号幅度的变化，观测幅度降至最大值的0.707倍时的信号频率，记录上限及下限频率，计算带宽值。

5.测试结果及分析

(1)增益及带宽测试的结果如表D-6-3所示。

表D-6-3　电压增益测试结果

续　表

(2)噪声电压测试

控制衰减电路不工作，测得噪声电压的峰峰值为63mV，满足设计要求。

(3)增益调节范围测试

如表D-6-4所示，输入信号有效值为1mV，频率为10MHz，通过改变衰减器的管脚电平可实现0～60dB增益调节。

表D-6-4　增益调节范围测试结果

五、作品成效分析

本文设计了一种射频宽带放大器，可实现62dB最大电压增益，且可实现1dB步进调整；3dB带宽的频率范围为0.3～100MHz，在1～80MHz范围内带内波动小于1 dB；输入电压为0时，噪声电压输出幅度为63mV，达到了所有的功能和性能要求。

六、参考资料

[1]高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程——模拟电子线路设计.北京：电子工业出版社，2007

[2]唐吉祥，唐朝京.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程——高频电子线路设计.北京：电子工业出版社，2007

[3]黄玉兰.射频电路理论与设计.北京：人民邮电出版社，2008

[4]谢嘉奎.电子线路.4版.北京：高等教育出版社，2000

[5]陈邦媛.射频通信线路.2版.北京：科学出版社，2007

报　告　7

基本信息

一、设计方案工作原理

1.技术方案分析比较

方案1：采用超高频晶体管分立元件制作电路：利用可切换的衰减网络和PIN二极管完成幅度连续可调功能。为了满足增益和带宽的要求，放大器应当采用多级放大器级联的结构。该方案具有功耗低、可以补偿通带内平坦度的优点。缺点是设计难度相对较大(尤其是宽带和高增益时)，电路占用空间大，对设计者的要求高，设计和调试不方便。

方案2：采用高频单片集成电路，如AD8367、LT5524等芯片制作电路。由于芯片本身具有很高的增益，而且内部集成了幅度控制电路，选取适当的级联结构就可以满足题目要求，电路设计也相对简单。但这类芯片往往噪声系数较大，宽带特性较差(尤其是100MHz以上和 100kHz 以下时)而且这类芯片相对成本较高。

方案3：采用射频单片放大器和分立元件相结合制作电路。利用可切换的衰减网络和PIN二极管完成幅度连续可调功能。该方案的优点是具有良好的频率特性(100MHz以上没有任何困难)、很低的噪声系数，相对适当的增益(不容易自激)。

综合考虑，本系统选择方案3。输入端采用两级可切换的衰减网络实现幅度的粗调，每级20dB；幅度的细调采用AVAGO公司的PIN二极管HSMP3813作为幅度控制元件，采用8位D/A变换器控制PIN二极管的衰减量；放大器采用三级射频放大器级联，前两级采用AVAGO公司的ABA54563，单级增益约23dB；末级放大器的输出功率较大，为了保证放大器较小的失真，采用MINI公司的单片放大器GAL-5，单级增益约20dB，1dB压缩点为+18dBm。采用上述方案设计的放大器可以达到很好的性能指标。

2.系统结构工作原理

(1)系统总体框图如图D-7-1所示。

图D-7-1　系统整体框图

(2)系统工作原理：输入信号通过步进衰减器实现信号在0～40dB范围内步进衰减，步进量为20dB,然后通过PIN管进行调节，用单片机控制PIN管的阳极以实现PIN管对信号进行0～20dB衰减量的连续可变调节。将PIN管出来的信号输入到由集成电路组成的三级放大电路中，该三级放大电路可将信号放大65dB,同时实现输出阻抗50Ω的要求。

3.功能指标实现方法

(1)实现AV在0～60dB范围内可调

首先该电路利用了PIN二极管的特性，利用单片机控制PIN管的阳极电位，使它可以对信号进行0～20dB衰减量的连续可变调节。为了实现AV在0～60dB范围内可调，又增加了两个20dB的衰减网络，利用继电器控制这两个网络，可以实现0dB，20dB，40dB的增益衰减。这样加上PIN管的网络，如果需要0～20dB连续衰减，可以利用继电器将两个20dB的衰减网络短路，实现0～20dB连续衰减；如果需要20～40dB的衰减，可以利用继电器将一个 20dB 的衰减网络和PIN管的网络配合起来使用，即可实现；如果需要40～60dB衰减，只需将两个20dB的衰减网络都接入到电路中即可。

综上所述，该电路利用了一个可以对信号进行0～20dB衰减量连续可变调节的PIN管和两个20dB的衰减网络完成了该题目的技术指标要求。

(2)实现放大器BW-3dB的下限频率fL≤0.3MHz，上限频率fH≥100MHz，并在1～80MHz频带内增益起伏不大于1dB。

上限频率的实现：由于该电路采用的是ABA54563作为主要的放大器，其高频性能很好，可以做到的上限频率远远超过题目中的要求。

下限频率的实现：由于采用的是ABA54563作为主要的放大器，为了解决集成放大器低频特性不好的问题，该设计采用电感补偿技术来提高系统的低频性能。

(3)在AV ≥60dB时，输出端噪声电压的峰峰值UoNpp≤100mV，并且输出信号波形无明显失真。

为了实现增益大于60 dB,本系统前两级采用AVAGO公司的ABA54563，单级增益约 23dB，所以可以将信号放大46 dB左右。为了实现输出信号波形无明显失真，本系统的末级放大器采用MINI公司的单片放大器GAL-5，单级增益约20dB，1dB压缩点为+18dBm。所以加上最后一级放大器，本系统的增益大约为66dB。由于本系统采用的芯片均为低噪声的芯片，因此，输出噪声电压的峰峰值也满足题目中的要求。

综上所述，利用两片AVAGO公司的ABA54563和MINI公司的单片放大器GAL-5实现了AV ≥60dB时，输出端噪声电压的峰峰值UoNpp≤100mV，并且输出信号波形无明显失真的要求。

二、核心部件电路设计

1.关键器件性能分析

(1)集成电路放大模块

图D-7-2　电感补偿网络

本系统采用ABA54563作为主要的放大器，两级级联，单级增益为23dB，末级采用功率大的集成电路GAL-5，增益为20dB。为了解决集成放大器低频特性不好的问题，本系统采用电感补偿的方法，将放大器供电回路中的电感改为一只大电感和一只小电感串联，在大电感上并上一只电阻，如图D-7-2所示。

当输入信号频率增大时，电感会呈现容性，当电感越大时，呈现容感时的频率越小，所以在该系统中，采用了电感补偿技术以提高系统的性能。在高频率时，一个呈容性，一个呈感性，所以呈感性的电感补偿了呈容性的电感，而当两个电感都呈容性时，其频率已经远远超过题目要求的工作范围。所以利用这项技术可以很好地改善系统的性能。

(2)衰减模块设计

该衰减模块分为0～40dB的步进衰减模块和0～20dB连续可调衰减模块。

题目要求电压增益AV在0～60dB范围内可调。衰减器模块后面的电路可将信号放大 60dB。 本系统利用PIN二极管的特性，用单片机控制PIN二极管的阳极电压，实现衰减量在 0～20dB的范围内连续可调。但是仅采用PIN二极管不能实现本题目的要求，所以本系统在PIN二极管前增加步进衰减模块，以20dB为步进量，可用继电器控制实现0dB、20 dB、40 dB的衰减量，从而完成题目中对电压增益的要求。

2.电路实现调试测试

(1)衰减网络模块

通过射频信号发生器产生频率分别为0.3MHz， 1MHz，20MHz，40MHz，60MHz，80MHz，100MHz，幅度为 200mV的正弦信号，通过一级衰减器后输入到示波器上观察信号失真情况和幅度大小。测试结果如表D-7-1所示。

表D-7-1　 衰减网络模块测试表

(2)集成电路放大器模块

① 放大器的频率特性测试：将集成电路放大器模块接入扫频仪，观察显示出的图形，对其频率特性进行分析。由测试结果可得该集成电路放大器模块可以满足BW-3dB的下限频率fL≤0.3MHz，上限频率fH≥100MHz，且在1～80MHz频带内增益起伏≤1dB。

② 放大器幅度特性测试：在接入小信号的情况下，衰减网络衰减20dB，使用射频信号发生器给放大电路送入正弦信号，测量输入和输出的信号幅度；在输入大信号的情况下，接入衰减网络衰减40dB，测量衰减网络的输出和最后输出信号的幅度；最后，调节输入PIN二极管的电压，改变放大倍数。

测试结果：

a.接入衰减网络衰减20dB，输入信号幅度为20mV(表D-7-2)。

表D-7-2　 接入衰减网络衰减20dB

b.接入衰减网络衰减40dB，输入信号幅度为200mV(表D-7-3)。

表D-7-3　接入衰减网络衰减40dB

c.调节PIN二极管的调节电压，输入信号幅度为200mV，衰减40dB送入放大PIN二极管，单片机控制D/A输出电压，测量输出信号幅度(表D-7-4)。

表D-7-4　PIN二极管调节信号幅度

③ 放大器输入阻抗测试:在被测的放大器与信号源之间串一个50Ω电阻Rn，测得信号源电压US和放大器输入电压Ui。通过公式·Rn，即可算出Ri=51Ω。根据测试结果，算得放大器的输入电阻Ri=51Ω,满足题目要求。

④ 放大器输出阻抗测试:用输出负载开路法测量输出电阻,在断开负载的情况下，测量输出信号的幅度，然后接上负载，再次测量输出信号的幅度。接入输入信号为100mV，测量输出信号为1V,然后断开负载，测量输出信号为2V，得输出电阻为50Ω。

三、竞赛工作环境条件

1.设计分析软件环境

ADS电子设计自动化(ADS软件全称为 Advanced Design System)是美国安捷伦(Agilent)公司所生产的电子设计自动化软件；ADS功能十分强大，包含时域电路仿真 (SPICE-like Simulation)、频域电路仿真、三维电磁仿真 、通信系统仿真(Communication System Simulation)和数字信号处理仿真设计(DSP)；支持射频和系统设计工程师开发的所有类型的 RF设计，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC。所以利用该软件可以较精确地得到设计电路的性能特征，并对电路的参数进行修改以满足题目的要求。

2.仪器设备硬件平台

UNI-T UT151 数字万用表；SIGLENT SDS1104CFL数字示波器；SG10525 高频信号发生器；4AT5011通用型频谱分析仪。

四、作品成效总结分析

1.系统测试性能指标

根据各模块指标的测试，完成了题目的基本要求和发挥部分的要求，并留有一定的富余。

2.成效得失对比分析

在最终的测试时，低频时系统性能不好。而在单独调测模拟部分时，模拟部分的模块可以完成题目对系统低频部分的要求，但在加入单片机模块后，由于接地部分没有考虑充分，导致模拟部分的性能也受到了一定的影响，进而导致整个系统在低频部分不稳定。但是由于采用了ABA54563这种适用于高频下的芯片，系统的高频部分很稳定而且远远超出发挥部分对系统的要求。

3.创新特色总结展望

创新特色一：本系统采用了AVAGO公司的ABA54563作为主要的放大器，所以高频部分的性能很好。而为了解决该集成放大器低频特性不好的问题，本系统采用电感补偿的方法，将放大器供电回路中的电感改为一个大电感和一个小电感串联，再在大电感上并联一个电阻，这样可以改善系统的低频特性。

创新特色二：增加了单片机模块。其作用一是为了控制PIN管的阳极以实现PIN管对信号进行0～20dB衰减量的连续可变调节。二是可以显示电路的放大倍数，实现人机的交互。

通过对AVAGO公司的ABA54563外围电路的改动，发挥了该芯片在高频部分的优秀性能，同时又满足了题目中对低频部分的要求。除了实现题目要求的模拟部分，还增加了利用ARM控制的显示电路部分，有良好的人机交互界面。

五、附件材料

竞赛相关图纸资料如图D-7-3、图D-7-4所示。

图D-7-3　ABA54563连接电路图

图D-7-4　衰减模块图

六、参考资料

[1]曾兴文，刘乃安，陈健.高频电子线路[M].北京：高等教育出版社，2007

[2]张肃文，等.高频电子线路[M].4版.北京：高等教育出版社，2004

[3]路而红，等.虚拟电子实验室[M].北京：人民邮电出版社，2006

[4]华成英，童诗白.模拟电子技术[M].4版.北京：高等教育出版社，2006

[5]清华大学通信教研组.高频电路[M].北京：人民邮电出版社，1979

[6]杨欣，王玉凤.电子设计从零开始[M].北京：清华大学出版社，2009

[7]谢嘉奎.高频电子线路[M].2版.北京：高等教育出版社，1984

[8]武秀玲，沈伟慈.高频电子线路[M].西安：西安电子科技大学出版社,1995