增益可調(diào)的射頻寬帶放大器設(shè)計(jì)

武漢東湖學(xué)院電子信息工程學(xué)院 梅 杰 劉雅嫻 曾天龍 梁巧君

1.引言

隨著無線通信的快速發(fā)展，射頻寬帶放大器的迅速發(fā)展無疑對(duì)信息通信起到了促進(jìn)作用。寬帶放大器被廣泛應(yīng)用于寬帶通信、民用雷達(dá)通信、電子對(duì)抗以及日漸成熟的高速光通信場(chǎng)合。在幾乎所有的射頻微波系統(tǒng)中，都離不開對(duì)信號(hào)的放大，射頻放大器在有源電路中占據(jù)了突出的位置。

本文設(shè)計(jì)的增益可調(diào)的射頻寬帶放大器位于接受機(jī)的前端，放大微弱信號(hào)的主要作用。該系統(tǒng)可以用于基本的信號(hào)處理放大設(shè)備和數(shù)碼產(chǎn)品等領(lǐng)域。

2.主要技術(shù)指標(biāo)

該放大器輸入、輸出負(fù)載電阻均為50Ω，放大器在帶寬范圍內(nèi)有較好的線性度和一定的輸出幅度，能夠控制增益。

2.1 放大器BW-3dB的技術(shù)指標(biāo)

放大器BW-3dB的下限頻率fl≤0.1MHz，上限頻率fH≥20MHz，并在1MHz-15MHz頻帶內(nèi)增益起伏≤01dB。該要求在Av≥60dB(或可達(dá)到的最高電壓增益點(diǎn))，最大輸出正弦波電壓有效值Uo≥1V，輸出信號(hào)波形無明顯失真條件下測(cè)試[1]。

2.2 射頻放大器穩(wěn)定性及抗干擾措施

(1)在每個(gè)電源的輸入端子接上10uF和0.1uF的電容到電源的地，保證電源的穩(wěn)定性，提高放大器的性能，從而提高放大器的穩(wěn)定性。從第二級(jí)AD603輸出的信號(hào)經(jīng)過一個(gè)濾波器濾掉了前兩級(jí)的干擾信號(hào)，進(jìn)一步保證了放大器的穩(wěn)定性。

(2)接地是抑制干擾的主要方法，其目的是清除各電路電流流經(jīng)公共地線阻抗時(shí)產(chǎn)生的噪聲電壓和避免磁場(chǎng)及地電位差的影響，應(yīng)用時(shí)我們采用各組地線僅交于一點(diǎn)。

(3)電源隔離。各級(jí)供電采用電容隔離，輸入級(jí)和輸出級(jí)采用隔離供電。各部分電源之間通過電容隔離，就近接上10uF電解電容和0.1uF瓷片電容。

(4)所有信號(hào)耦合采用電解電容，電解電容兩端并接高頻瓷片電容以避免高頻增益下降。[2]

3.總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)方框圖如圖1所示。采用壓控增益放大的思想，利用精準(zhǔn)的電位器來控制加到AD603的電壓，利用撥動(dòng)開關(guān)調(diào)節(jié)前兩級(jí)的增益檔位，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)增益預(yù)置和控制電壓增益。前后級(jí)放大均采用THS3001實(shí)現(xiàn)輸入輸出負(fù)載電阻50Ω，后級(jí)有較高帶負(fù)載能力。

圖1 系統(tǒng)框圖

前級(jí)采用THS3001提高系統(tǒng)的增益，中間級(jí)采用AD603實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增益的連續(xù)可調(diào)，后級(jí)采用THS3001提高帶負(fù)載能力，系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

圖2 前級(jí)放大電路圖

圖3 前級(jí)放大電路AD603的增益控制電路圖

3.1 器件選擇

AD603是具有壓控增益調(diào)整功能的芯片。它是一種低噪聲、在增益為-10dB到30dB調(diào)解時(shí)帶寬達(dá)90MHz的帶寬增益可調(diào)的集成運(yùn)放，增益與控制電壓成線性關(guān)系。完全能達(dá)到基本要求的上限頻率fH≥20MHz。利用精準(zhǔn)電位器調(diào)節(jié)引腳1的輸入電壓來控制AD603的增益[1]。

實(shí)現(xiàn)輸出無明顯失真的波形，滿足大于10dB指標(biāo)，必須級(jí)聯(lián)其他放大電路。采用超高速、低噪聲、電流反饋型運(yùn)放THS3001，該運(yùn)放的電壓擺率為6500V/us，非常適合用作寬帶放大，THS3001的單位增益為420MHz，只要選擇合適的反饋電阻，可以達(dá)到基本要求的20MHz的上限頻率，也可以保證放大器輸出波形的穩(wěn)定。在負(fù)載50歐的條件下，最大輸出正弦波電壓有效值Uo≥200mV，為了使輸出波形無明顯失真，所以后級(jí)在提高電路總體增益的同時(shí)還要保證有足夠的帶負(fù)載能力。采用電流反饋型運(yùn)放THS3001作為后級(jí)輸出，該運(yùn)放的最大輸出電流為100mA，足以在滿足要求的輸出波形下驅(qū)動(dòng)50歐的負(fù)載，選擇反饋電阻以保證提高放大倍數(shù)和后級(jí)輸出的穩(wěn)定性。

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3.2 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)前級(jí)放大電路

對(duì)于寬帶放大電路，我們采用電流型反饋運(yùn)放，要求上限頻率大于20M，采用超高速寬帶電流型反饋運(yùn)放THS3001，同相輸入形式，接入反饋電阻為1K保證頻帶內(nèi)的增益穩(wěn)定，反向輸入端可由撥動(dòng)開關(guān)調(diào)節(jié)前級(jí)的增益[3]。具體電路圖如圖3所示。

(2)中間級(jí)電路

射頻寬帶放大器的電壓增益要從0dB到20dB可調(diào)。單個(gè)AD603的增益范圍是-10dB～30dB。本方案在VOUT與FDBK之間接入一個(gè)2K的電阻，最大增益大于30dB，超過了基本要求的指標(biāo)。具體電路如圖4所示。

圖4 AD603增益控制電路圖

圖5 后級(jí)放大電路圖

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)表

(3)后級(jí)放大電路

對(duì)于由AD603輸出的信號(hào)，在后級(jí)采用THS3001提高輸出的帶負(fù)載能力，由于THS 3001的帶寬很大，所以在后級(jí)可以對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大，具體電路如圖5所示。

4.測(cè)試及結(jié)果分析

分別調(diào)整系統(tǒng)總增益為0dB，20dB，32dB，輸入信號(hào)Vpp=50mV，該輸入信號(hào)滿足輸入電壓有效值小于20mV的要求，調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的頻率，0.1MHz-20MHz，在示波器上觀察輸出信號(hào)，并記錄數(shù)據(jù)。

圖6 幅頻特性曲線

(2)測(cè)試結(jié)果分析

下表對(duì)各組增益在不同頻率時(shí)的實(shí)際增益進(jìn)行了整理，并計(jì)算了各組在1MHz到15MHz內(nèi)的增益起伏。在增益為20dB時(shí)，測(cè)得的輸出信號(hào)的有效值大于200mV。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制幅頻特性曲線圖(如圖6所示)。

(注：藍(lán)色表示第一組，紅色表示第二組，綠色表示第三組)

第一組：dBmin=-0.35，dBmax=0.66，△dB=0.95

第二組：dBmin= 19.65，dBmax=20.34，△dB=0.99

第三組：dBmin=32.26，dBmax=30.63，△dB=1.53

由以上計(jì)算數(shù)據(jù)分析可知：(1)該射頻寬帶放大器的下限頻率小于0.1MHz，上限頻率大于20MHz，最大輸出正弦波有效值大于200mV，無明顯失真；(2)在1MHz到15MHz的通帶內(nèi)增益起伏小于1dB。當(dāng)系統(tǒng)總增益達(dá)到32dB時(shí)，依然能保證通帶滿足0.1MHz-20MHz；(3)控制電壓與實(shí)際電壓增益之間并非完全呈線性關(guān)系，這樣就會(huì)產(chǎn)生實(shí)際的電壓增益與設(shè)置的增益之間有誤差。

本方案采用壓控增益放大的思想，增益調(diào)節(jié)由精準(zhǔn)電位器控制可實(shí)現(xiàn)增益的連續(xù)調(diào)節(jié)。

5.結(jié)論

本系統(tǒng)采用壓控增益器件，進(jìn)行合理的級(jí)聯(lián)和阻抗匹配，最終實(shí)現(xiàn)了通頻帶為0.1MHz～20MHz的射頻寬帶放大器。通過精準(zhǔn)的電位器來控制電壓的方式實(shí)現(xiàn)電壓增益的連續(xù)可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)增益-10dB到40dB的連續(xù)可調(diào)，波形穩(wěn)定，達(dá)到了較好的性能指標(biāo)。本文在設(shè)計(jì)的放大器位于接受機(jī)的前端，放大微弱信號(hào)的主要作用。該系統(tǒng)可以用于基本的無線電技術(shù)及頻段覆蓋波段的通信領(lǐng)域。

[1]全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì)(編).全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品精選(2003)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2005.

[2]曾興雯.高頻電子線路(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2004.

[3]楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2001.