射頻寬帶高增益放大電路的設(shè)計(jì)

楊成林

(山西省廣播電視局忻州中波轉(zhuǎn)播臺，山西 忻州 034000)

0 引言

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，射頻寬帶運(yùn)算放大器廣泛應(yīng)用于A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、波形發(fā)生器、視頻放大器等電路。在無線通信、移動(dòng)電話、衛(wèi)星通信網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)、直播衛(wèi)星接收及自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 射頻寬帶高增益放大電路設(shè)計(jì)目標(biāo)與難點(diǎn)分析

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

基本要求是電壓增益Av≥20 dB，輸入電壓有效值Ui≤20 mV。Av在0～20 dB范圍內(nèi)可調(diào)；最大輸出正弦波電壓有效值Uo≥200 mV，輸出信號波形無明顯失真；放大器BW-3dB的下限頻率fL≤0.3 MHz，上限頻率fH≥20 MHz，并要求在1 MHz～15 MHz頻帶內(nèi)增益起伏≤1 dB；放大器的輸入和輸出阻抗50 Ω。

輸入電壓有效值ui≤1 mV。Av在0～60 dB范圍內(nèi)可調(diào)；在Av≥60 dB時(shí)，輸出端噪聲電壓的峰峰值UoNpp≤100 mV；最大輸出正弦波電壓有效值Uo≥1 V，輸出信號波形無明顯失真。

1.2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

1) 頻帶內(nèi)增益起伏控制及放大電路的穩(wěn)定性：電路電壓增益在通頻帶內(nèi)波動(dòng)較明顯，通過對各級放大電路進(jìn)行頻率補(bǔ)償，在電源端增加去耦0.1uF和100uF電容，電容電阻的引線部分要盡可能的短，并且采用屏蔽盒對電路板進(jìn)行屏蔽。

2) 防止放大器產(chǎn)生自激振蕩措施：防止措施為在各級間加隔離，防止各級間互相影響，對放大器加屏蔽，為防止由于PCB板有引腳的引出而導(dǎo)致天線效應(yīng)產(chǎn)生的自激振蕩，采用貼片封裝的元器件進(jìn)行焊接。對電源有效去耦。

3) 為防止外部干擾，要對放大器加以屏蔽[1]。

2 射頻寬帶高增益放大電路的設(shè)計(jì)方案

2.1 射頻寬帶高增益放大電路的基本原理

本電路由前級放大、壓控放大、后級電流運(yùn)放3個(gè)模塊組成。以增益放大器OPA847為核心，通過調(diào)節(jié)VCA824控制增益，實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)。由OPA847組成增益放大器，實(shí)現(xiàn)增益20～60 dB范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，單級放大20 dB，中間級通過壓控放大器VCA824實(shí)現(xiàn)0.05倍～5倍增益控制，后級電路通過OPA695實(shí)現(xiàn)放大13 dB固定增益，波形無明顯失真;功放輸出信號經(jīng)有效值檢波后，通過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬電壓的有效值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并送控制器實(shí)現(xiàn)增益預(yù)置與顯示。

2.2 設(shè)計(jì)方案

1) 信號放大60 dB增益設(shè)計(jì)：采用高帶寬，大壓擺率的寬帶運(yùn)放實(shí)現(xiàn)60 dB放大。由于運(yùn)放具備高開環(huán)增益、高輸入阻抗和低輸出阻抗，所以由運(yùn)放構(gòu)成的放大電路具備更好的線性，具有很好的穩(wěn)定性，且增益易于控制。

2) 放大增益可調(diào)設(shè)計(jì)：前級采用放大電路固定增益放大，后級由壓控放大器VCA控制，實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)[2]。

2.3 系統(tǒng)總體框圖

圖1 系統(tǒng)框圖

如圖1所示。信號由前級帶寬放大器OPA847輸入，前級放大20 dB，中間級通過壓控放大器VCA824實(shí)現(xiàn)0.05倍～5倍增益控制，后級電路由電流型運(yùn)放OPA695實(shí)現(xiàn)13 dB固定增益，末級有繼電器切換進(jìn)行13 dB增益放大和20 dB電阻網(wǎng)絡(luò)衰減,信號由該末級的繼電器輸出。

3 應(yīng)用芯片

3.1 OPA847芯片

1) OPA847特性：OPA847芯片的特性為高增益帶寬3.9 GHz；低輸入電壓噪聲0.85 nV/Hz；低失真-105 dBc(5 MHz的)；高壓擺率950 V/μs；高直流精度VIO<±100 μV；低電源電流18.1 mA；低關(guān)斷功率2 mW。常用于低噪聲寬帶互阻放大器，低噪聲差分接收器和超聲通道放大器。

2) OPA847引腳定義：如圖2所示OPA847由8個(gè)引腳組成，引腳1和引腳5是NC數(shù)控端，該引腳在器件內(nèi)部接地，通常這兩個(gè)引腳不需要連接。引腳6是輸出端，輸出放大信號。引腳7供電正端，引腳4供電負(fù)端，引腳8是使能端，可選擇開路或者置高電平，高電平有效。

圖2 OPA847芯片

3.2 VCA824芯片

1) VCA824特性：VCA824芯片的特性為小信號帶寬710 MHz (G=+2 V/V)；4Vpp帶寬320 MHz(G =+10 V/V)；增益平坦度0.1 dB～135 MHz；轉(zhuǎn)換速率2 500 V/μs；增益調(diào)整范圍>40 dB；高增益準(zhǔn)確度20 dB±0.3 dB；高輸出電流±90 mA。VCA824芯片應(yīng)用于帶增益的差分線路接收器，微分均衡器，高計(jì)數(shù)率脈沖幅度補(bǔ)償電路，連續(xù)可調(diào)衰減器及電壓調(diào)諧活躍的過濾器。不僅能夠以更快的速率處理大量數(shù)據(jù)，同時(shí)還能最小化諧波失真以提高信號保真度。

2) VCA824管腳定義：如圖3所示，VCA824由14個(gè)引腳組成，引腳1和引腳14(+Vcc)，引腳2(VG)，引腳3(+VIN)，引腳4(+RG)，引腳5(-RG)，引腳6(-VIN)，引腳7和引腳8(-Vcc)，引腳9(VREF)，引腳10(VOUT)，引腳11(GND)，引腳12(FB)，引腳13(NC)。

圖3 VCA824芯片

4 放大電路理論分析和計(jì)算

4.1 寬帶放大器的分析

寬帶放大器采用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)。當(dāng)輸入信號有效值Ui≤1 mV時(shí)，輸出電壓有效值Uo≥1 V，即峰峰值為Upp≥2.828 V，頻率為100 MHz時(shí)下降3dB,則末級運(yùn)放壓擺率見式(1)：

SW≥2×π×100M×2.828V=1776V/μs.

(1)

同時(shí)，設(shè)計(jì)要求電壓增益≥60 dB，輸入信號頻率為100 MHz，則若采用單級放大，要求運(yùn)放增益帶寬積見式(2)：

GBR=1000×100M=100G.

(2)

目前運(yùn)放只實(shí)現(xiàn)單級放大20dB，因此本次采用多級放大實(shí)現(xiàn)60 dB增益可調(diào)。前級采用固定增益，由寬帶高壓擺率運(yùn)放OPA847實(shí)現(xiàn)20 dB增益放大。中間級通過壓控放大器VCA824 實(shí)現(xiàn)0.05 V/V～5 V/V增益可調(diào)。VCA824帶寬為350 MHz，增益范圍0 dB～40 dB可調(diào)。后級接入繼電器切換，實(shí)現(xiàn)最終的0 dB～60 dB范圍可調(diào)。

4.2 頻帶內(nèi)增益起伏控制及調(diào)整

本系統(tǒng)前級固定增益放大，根據(jù)OPA847性能特點(diǎn)，其增益為G=12時(shí)，帶寬高達(dá)600 MHz，實(shí)現(xiàn)了1 MHz～80 MHz范圍波動(dòng)小于1 dB。

中間級使用壓控放大器VCA824，在一定頻帶內(nèi)輸出信號會(huì)有波動(dòng)。在壓控電阻控制端進(jìn)行頻率補(bǔ)償，可擴(kuò)展信號頻帶，使輸出增益穩(wěn)定 。

后級電路使用電流反饋型運(yùn)放OPA695，通頻帶平緩，帶寬為1.7 GHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于80 MHz。

系統(tǒng)增益調(diào)整主要由壓控放大器VCA824實(shí)現(xiàn)。設(shè)置VCA824最大增益為5倍，通過調(diào)節(jié)壓控端電壓調(diào)節(jié)增益。見式(3)：

G=2×Rf/Rg×VRF.

(3)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選取Rf=2.5Rq，則增益為G=5×VRF，控制VRF在-1 V～1 V范圍內(nèi)變化，可調(diào)節(jié)增益在0.05 V/V～5 V/V變化。

4.3 射頻放大器穩(wěn)定性分析

由于系統(tǒng)輸入信號頻率為1 MHz～100 MHz，信號有效值小于1 mV，放大器易引入噪聲和引起自激。因此，前級采用固定增益放大電路，第一級設(shè)計(jì)較低增益，放大20 dB，減小噪聲對系統(tǒng)后級影響。為減少外界電磁干擾，采用屏蔽盒進(jìn)行抗干擾處理，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4.4 放大器帶寬設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)系統(tǒng)帶寬下限頻率fL≤0.3 MHz，上限頻率fH≥100 MHz。系統(tǒng)所選取的放大器芯片帶寬均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100 MHz。壓控放大器頻帶通過RC頻率補(bǔ)償也實(shí)現(xiàn)上限頻率fH≥100 MHz[3]。

5 射頻寬帶高增益放大電路設(shè)計(jì)

5.1 前級固定增益電路設(shè)計(jì)

前級電路采用寬帶放大器OPA847實(shí)現(xiàn)20 dB增益放大。OPA847帶寬為3.9 GHz，壓擺率為950 V/μs，且其放大倍數(shù)大于12時(shí)，系統(tǒng)增益穩(wěn)定。前級輸入信號有效值為Ui=1 mV，則放大20 dB輸出電壓峰峰值見式(4)：

Uopp=22×1×100=282.8 mV.

(4)

則所需運(yùn)放壓擺率見式(5)：

SW=2×3.14×100 M×282.8 mV=177 V/μs.

(5)

OPA847的前級固定增益電路設(shè)計(jì)具體電路如圖4所示。

5.2 VCA電路設(shè)計(jì)

中間級通過壓控放大器VCA824實(shí)現(xiàn)0.05 V/V～5 V/V增益控制。VCA824 為寬帶壓控放大器，放大20 dB，增益帶寬為320 MHz，達(dá)到了100 MHz帶寬設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過調(diào)節(jié)VCA824壓控端控制輸出增益，實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)。具體電路如圖5所示。

圖4 OPA847放大電路

圖5 VCA824壓控電路圖

5.3 后級電路設(shè)計(jì)

后級電路設(shè)計(jì)通過OPA695實(shí)現(xiàn)5倍增益放大，即放大13 dB，通過繼電器切換電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行衰減，使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)0 dB～60 dB增益范圍可調(diào)。OPA695為電流反饋型運(yùn)放,具有2 500 V/μs高壓擺率和帶寬，完全可實(shí)現(xiàn)有效值1 V、帶寬100 MHz信號輸出。具體電路如圖6所示。

圖6 OPA695后級電路圖

6 結(jié)束語

通過對放大器電壓增益測試，BW-3dB帶寬測試和輸出噪聲電壓測試的測試，放大器滿足了設(shè)計(jì)目標(biāo)。