2013国赛一等奖

射频宽带放大器（D题）

目 录

摘 要： ...................................................................................................... 错误！未定义书签。 1. 总体方案设计及论证 ........................................................................ 错误！未定义书签。

1.1 题目设计任务............................................................ 错误！未定义书签。 1.2 方案比较及论证 ....................................................... 错误！未定义书签。

1.2.1 前置低噪放大的选择 ..................................... 错误！未定义书签。 1.2.2 程控增益（衰减）放大器的选择 ................. 错误！未定义书签。 1.2.3 DA的选择 ...................................................... 错误！未定义书签。 1.2.4 系统整体方案的选择 ................................................ 错误！未定义书签。 1.2.5 系统整体框图 .............................................................. 错误！未定义书签。

2. 理论分析计算：

2.1 宽带放大器的设计 ................................................... 错误！未定义书签。 2.2 频带内增益起伏的控制 ........................................... 错误！未定义书签。 2.3 射频放大器稳定性的分析 ....................................... 错误！未定义书签。 2.4 电路增益分配与调整 ............................................... 错误！未定义书签。 3. 电路与程序设计 ................................................................................. 错误！未定义书签。

3.1 系统硬件电路总体设计 ........................................... 错误！未定义书签。

3.1.1 第一级：同相接法的宽带放大器的设计 ..... 错误！未定义书签。 3.1.2 第二级宽带放大电路 ..................................... 错误！未定义书签。 3.1.3 第三级增益控制电路 ..................................... 错误！未定义书签。 3.1.4 末级宽带放大电路 ......................................... 错误！未定义书签。 3.2 程序设计.................................................................... 错误！未定义书签。 4. 系统调试与测试结果 ........................................................................ 错误！未定义书签。

4.1 测试的仪器................................................................ 错误！未定义书签。 4.2 测试方案.................................................................... 错误！未定义书签。 4.3 测试结果及分析 ..................................................................... 错误！未定义书签。

4.3.1 测试数据记录 .............................................................. 错误！未定义书签。

4.3.1.1带宽与平坦度测量 ................................................ 错误！未定义书签。 4.3.1.2噪声测量 .................................................................. 错误！未定义书签。 4.3.1.3增益可调测试 ......................................................... 错误！未定义书签。 4.3.2 测试结果分析 ................................................. 错误！未定义书签。

4.3.2.1带宽与平坦度结果分析 ....................................... 错误！未定义书签。 4.3.2.2噪声结果分析 ......................................................... 错误！未定义书签。 4.3.2.3增益可调测试的结果分析 .................................. 错误！未定义书签。 4.3.1.1 结果分析总结 ........................................................ 错误！未定义书签。

5. 结论 ........................................................................................................ 错误！未定义书签。 6. 参考文献............................................................................................... 错误！未定义书签。 7. 附录 ........................................................................................................ 错误！未定义书签。

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摘要

本系统是一个射频宽带放大的装置。系统中包含了固定增益放大部分，程控

增益（衰减）部分，以及单片机控制部分。该装置能对300KHz~120MHz宽频带内的信号进行有效放大，灵敏度优于1mV。系统采用TI的电流反馈高速运放OPA695和宽带压控增益放大器LMH6502来实现0到60dB的放大，通过程序控制VGA和继电器，可使电压增益在0~60dB范围内连续可调。选用ARM型32位低功耗处理器STM32控制数模转换芯片TLV5636，系统界面采用12864液晶显示。该系统的创新之处在于对LMH6502进行了RC补偿，极大的增加了LMH6502的带宽，从而提升了系统整体带宽。本系统实现了一个通带平坦度为0.85dB，带宽为120MHz，增益为0到60dB按键可设定的射频宽带放大器。

关键词：宽带放大；程控增益；高灵敏度；RC补偿；高速运放

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1. 总体方案设计及论证

1.1 题目设计任务

设计并制作一个射频宽带放大器。基本要求如下：

（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1MHz~15MHz频带内增益起伏≤1dB。 （4） 放大器的输入阻抗=50Ω，输出阻抗=50Ω。 发挥部分：

（1） 电压增益AV≥60dB，输入电压有效值Ui≤1mV。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1MHz~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） 1.2 方案比较及论证

1.2.1前置低噪放大的选择

方案一：选用分立元件构建低噪声放大电路，利用低噪声高频三极管9018或双栅场效应管等，加上合理的电路既能构成输出较好的低噪放大电路。它的价格低廉，耐压好，但由于三极管结电容在高频下的不确定性，导致三极管电路的输入输出阻抗匹配很难做。

方案二：选用低噪声的宽带集成放大器。用该集成芯片的优点就是频带非常宽，噪声低，但成本较高而且不易在短时间内购得。 方案三：选用宽带电流反馈型运放。电流反馈运放的带宽与增益无关，仅与反馈电阻的取值有关，因此可以将系统的带宽做的很宽，且种类较多，容易获得，其构成的同相放大的电路形式易实现阻抗前后匹配。但电流反馈型的运放有一定的噪声。

方案选取：考虑到前后的阻抗匹配，利用分立元件构建低噪声放大器的电路有着较宽的频带，但匹配实现困难，而且分立元件所做的电路温度稳定性没有集成芯片好。集成的宽带低噪放大芯片具有很低的噪声和带宽，但短短的几天之内不易购得，故舍弃方案二。用电流反馈型运放构成的同相放大器有着较大的增益带宽积，而且输入输出阻抗较易匹配，所以该系统选择方案三。

1.2.2程控增益（衰减）放大器的选择

方案一：选用乘法器来控制电压。乘法器的控制原理简单，但控制

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增益往往不精确，有很大误差，增益与带宽的关系不确定，需要通过外部硬件电路来确定，导致使用不灵活。

方案二：选用类DAC芯片的R-2R电阻网络构成程控衰减器。通过用精密电阻搭建倒T型的R-2R电阻网络对输入信号进行精密衰减，最后用一个宽带电压型反馈运放将电阻网络的电流量转换成电压量进行输出。但由于需要继电器进行切换，因此增加了电路的尺寸，影响了信号的完整性。

方案三：选用VGA芯片。该芯片有较多宽带种类的VGA芯片，可用较少的芯片满足题目要求的功能。因此，此芯片能提高电路的信号完整性与简单而精确的增益控制。但成本较高。

方案选择：虽然VCA822的带宽较宽，但仅有-20dB的衰减。考虑到系统需要在0~60dB范围内可调，其中增益为 0dB时，信号将不做任何放大，直接输出。R-2R电阻网络结构简单，但由于它会对电路的信号的完整性造成影响，可能使信号的传输出现较严重的失真。考虑到电路的简单性以及信号的完整性，系统选择可以同时具有衰减与放大的芯片LMH6502作为程控增益放大器。 DAC的选择

方案一：选择STM32单片机的片上DAC。STM32单片机具有两路8位或者12位（可选择）的DAC输出，而且参考电压由外部提供（2.4V~3.3V）。其有着控制方便的优点，但噪声较大。

方案二：选择TI公司的ADS811。ADS811是TI公司的一款10位精度，具有内部参考，并行输入的模数转换芯片；具有控制简单，外部电路灵活的特点。但基准电压固定。

方案三：选择TI公司的TLV5637。TLV5637是一款10位精度，内部参考，串行的模数转换芯片。此款芯片不但有内部电压基准，而且基准可选（1.024V或者2.048V），输出更为灵活，且输出最大电压可达2倍电压基准（Vcc≥4.7V）。

方案选择：考虑到需要非常简单而且较为精准的电压控制，所以系统选择参考电压在内部的DAC芯片。而TLV5637比ADS811有着更为宽泛的电压控制范围，所以系统选择TLV5637作为电压控制芯片。 1.2.4系统整体方案的选择

方案一：采用一个固定的宽带低噪放大器做系统的第一级，再用多个宽带的压控增益放大器和它级联成一个系统。用单片机和DACC控制其增益。优点是增益控制的范围大，但压控增益放大器噪声较大，系统的信噪比可能降低。

方案二：采用多级低噪放大器级联，其末尾或中间级采用继电器切换的电阻衰减网络，系统的单片机将通过切换继电器来控制增益。该方案电路简单，但用的继电器较多，因而电路较大，信号完整性受到影响。在高频下可能出现严重的反射波而干扰正常的放大。

方案三：系统整体采用多个宽带运算放大器完成对小信号的60dB的放大，其中部分运算放大器可由继电器切换。在各级运算放大器中间加一级压控增益放大器，起到运放之间的隔离作用，从而避免自激和失真现象，同时用单片机控制VGA，从而控制增益。但电路结构和增益分配较为复杂。

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方案论证：由于系统对噪声的要求较高，而且VCA多为非线性，从而舍弃了方案一。方案二构成的系统可靠性不强，调节起来复杂，可能要做复杂的信号隔离才能完成任务。方案三电路结构虽然复杂，但若能找到合适的宽带运放与VGA，可以大大减小电路面积，保护了信号的完整性，并可获得较低的噪声，因此该系统采用方案三。

1.2.5 系统总体框图

系统总体框图如图1所示：

信号输入放大10倍放大10倍程控放大（衰减）放大10倍信号输出单片机控制继电器DA继电器

图1

在该系统中，可以通过实验证明继电器在电路中对于100MHz以内的信号的影响可以忽略。

2. 理论分析计算与电路设计：

2.1 宽带放大器的设计

宽带放大器有两个重要指标，带宽和压摆率，带宽决定了小信号通路时的放大器的速度，而压摆率主要决定在大信号通路时放大器的速度。而OPA695兼有极高的带宽和压摆率。

从系统来看，由于OPA695的带宽足够对100MHz的信号进行高倍放大，也有足够高的压摆率（4300V/us），因此系统采用两片OPA695在前两级分别做微弱信号的放大，用一片OPA695做最后一级（即第四级）完成末级推动。高频下，各级间的匹配至关重要，因此系统采用同相放大的接法，将运放的同相输入端并联一个50欧姆的电阻到地。由于接成了负反馈形式的运放的输出电阻很小，因此采用在输出端串联一个50欧姆的电阻来实现宽带。为了实现0dB的增益，在第二级同相放大电路上并联了一个继电器。

依据TI所提供的OPA695的数据手册可知，如图2，对于50欧姆输出匹配的同相放大接法，RF与RG的理想取值应该满足表1：

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图2 50欧姆输出匹配的同相放大接法

表1 输出50Ω匹配时对应的同相接法参数值的确定

为了减少级数，系统采用了数据手册提供的合理参考设计值： 在输出50Ω匹配的情况下，对于增益为20dB的同相接法中，RF取174Ω，RG取9Ω。

2.2 频带内增益起伏的控制

理论上，如果运放各级之间实现匹配，则不存在反射波，那么总的增益等于各级增益的乘积，否则，频带内的增益起伏就会比较明显，系统的稳定性将降低。因此，实现对频带内增益起伏的控制，应该首先通过各级之间的阻抗匹配来实现。

实现了阻抗匹配后，受LMH6502的带宽限制，增益会随频率升高而下降，但由数据手册可知，如果系统采用图3电路，Cc与Rc只要选取了合理的参数，则可以极大的提高带宽。手册未直接给出具体参数值。参考数据手册的增益计算公式以及现有的知识可得出：

R1A(V)KF' 式（1） 1-VGZG1eVC 0 1

ZG(RC'1 )//RG 式（2）

SCC'由式（1）与式（2）知，当频率上升时，A(V)随着ZG下降而获得提升，这种提升将缓解因带宽的限制而导致增益的下降。从而展宽带宽。

使用TINA仿真结果和实验效果可知，多级放大级联成系统以后，当Rc=184Ω，Cc=5Pf时，可以使带宽内的平趟度和带宽得到提升。

图3 改善带宽结构

射频放大器稳定性的分析

本系统所选择的的射频放大器主要是由运算放大器的集成类芯片 构成。集成芯片有着外围电路简单，输入输出电阻容易控制等优点。但级联后也容易导致系统自激等问题。 为了抑制因为相位差或者系统失匹引起的自激或者回波反射，本系统做了相应的级间50欧姆阻抗匹配，使回波反射尽可能小。

系统的前一、二级的运放用同一个电源供电，但采用了电源滤波，以降低两级之间的干扰现象。因为第三级不易匹配，功耗较高，第四级又是大信号输出，所需的电流较大，为了避免他们之间的影响，所以对前一二级与第三级和第四级又分别用单独的电源供电。从而有效的抑制了系统整体的工频干扰和各级之间的电源处的干扰；在分开供电的同时，对每路电源做了相应的电源滤波，这对进一步提高系统的抗噪性能起着非常重要的作用。

在画PCB时，为了增强信号的完整性，提高放大器的稳定性，仔细考虑过PCB上的信号的回流。 2.4 电路增益分配与调整

由设计任务可知，本系统的增益可在0~20dB（发挥部分为0~60dB）增益可调，故选用四级增益分配方案。因为第一级对信噪比的影响最大，因此第一级需要较高的增益。在第一级中，用固定放大20倍的放大器对小信号进行放大。第二级中，则用带有继电器的固定10倍放大的放大器，由软件程控进行选择是否接入电路。第三极选用压控增益，程控放大倍数要求至少10倍可调以及衰减10倍可调。最后一级与第二级相同，为带有继电器的固定10倍放大器，由软件控制是否接入电路。这四级增益分配通过对输入的增益值进行判断，并相应的打开或者闭合继电器开关，同时控制DAC的电压输出对压控增益部分进行控制来整体调整接入电路的系统增益。具体方案如表2所示。

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2.3

表2 系统增益分配

系统所需增益 0~20dB 20~34dB 34~48dB 48~60dB

前级继电器状态 未接入电路 接入电路 接入电路 接入电路 压控增益状态 衰减0~20dB 衰减0~14dB 衰减0~14dB 放大0~12dB 后级继电器状态 未接入电路 未接入电路 接入电路 接入电路 3、 电路与程序设计 3.1电路设计

3.1.1第一级：同相接法的宽带放大器的设计

在该级中，参考表1和图2，获得参数值R1为9Ω，R2为 174Ω，干净的电源可以防止电路自激，因此在电源处进行滤波处理。

图4：第一级同相接法的宽带放大器的电路

3.1.2 第二级宽带放大电路：

如图3，该级并联了一个继电器，当单片机给三极管B极一个低电平时，三极管导通，继电器将第一级的信号通过该级运放的放大再输出。若三极管截止，则继电器将让信号直接传送到下一级。继电器采用PNP三级管来驱动，二极管IN5817起到保护三级管作用，避免继电器内部电感产生的瞬时电压将三极管击穿。

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图5：第二级宽带放大电路：

3.1.3、第三级增益控制电路

该级用的是LMH6502压控增益放大器，放大范围在-40dB到20dB,加上前面可用程序控制的继电器，能使电路实现0dB到60dB范围的变化。参考图3以及数据手册里的说明，系统的第三级增益控制电路图如图6:

图6: 第三级增益控制电路图

3.1.4、末级宽带放大电路

与第二级类似，也可以用继电器切换其是否接入电路。该级输出

增益为20dB。该级电路如图7：

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图7未级宽带放大电路

3.2单片机控制与系统任务的设计与选取

从处理系统来看，按照任务要求，需要考虑的任务有控制DAC，切换继电器，以及按键显示等功能。 软件工作流程图（图8）如图所示

开始初始化否完成是否等待按键是刷新数据结束

图8

4、 系统调试及测试方法

4.1、 测试仪器：

根据所需的测试指标，整理测试仪器列表3所示：

表3 测试仪器表

序号 1 2 3 0 1

仪器名称 高频信号源 高频毫伏表 示波器 仪器型号 HM8134 SG2270 TDS3054

4.2、 测试方案： 信号源Ui 如图所示，在测量带宽及平坦度时，将信号源的输出有效值降低到1mVrms或更低，将信号通过射频宽带放大器，且外接50Ω负载，确认放大倍数为60dB时，再用示波器观察，记录无明显失真时的带宽和平坦度。

在测量噪声时，在射频宽带放大器放大60dB的情况下，将输入端短入到地，外接50Ω负载下，再用示波器观察其输出有效值。

在测量增益控制精度时，通过示波器观察程序控制的增益值与实际增益值的误差大小。

在测量增益控制范围时，如果测0dB或其他较低的增益时，示波器无法读出信号大小，则应该加大输入信号，直到示波器可以有效辨别为止。在测60dB增益时，将输入提高到1mVrms,确认输出信号是否能达到1Vrms,且不明显失真。； 4.3、测试结果与分析 4.3.1测试数据记录

4.3.1.1 带宽与平坦度测量

测试条件：输入信号电压有效值1mVrms，波形无明显失真

表4

射频宽带放大器 示波器Uo测试的频率值 放大器输出有效值Vrms 测试的频率值 放大器输出有效值Vrms 300kHz 1MHz 0.958 0.996 10MHz 20MHz 1.050 1.050 25MHz 1.050 40MHz 1.010 50MHz 60MHz 1.010 1.010 70MHz 80MHz 90MHz 100MHz 110MHz 120MHz 79KHz 0.980 0.952 0.926 0.875 0.813 0.733 0.710 由上述数据可知，系统带宽的下限频率fL300kHz，上限频率fH 120Mhz，带内增益起伏约为0.85dB＜1dB，满足发挥部分的要求。 4.3.1.2 噪声测量

测试条件：输入端短路到地

表5 噪声峰峰值（mV） 4.3.1.3 增益可调测试 210 测试条件：输入信号有效值：1mVrms 测试频率：10MHz 表6 测试倍数 1 26 26 39 39 50 50 100 100 200 200 800 800 1000 1000 理论输1 出有效值(Vrms) 0 1

实际输1.04 出有效值(Vrms) 4.0 误差% 27.5 40.8 53.2 104 212 824 1007 5.8 4.6 6.4 4.0 6.0 3.0 0.7 4.3.2测试结果分析

4.3.2.1 带宽与平坦度的结果分析

因为放大器增益Au=

Uo， 故从测量结果可以看出,选通带输出幅Uin度为1Vrms,那么，该次测试的通带增益为60dB，3dB通带两端幅度均约为0.707Vrms。因此可看出系统的通带在79KHz到120MH左右。

300KHZ到80MHz的最大输出有效值是1.05Vrms,最小输出有效值是

0.952.因带内增益起伏计算式为20logAmax，故可计算得系统的起伏度Amin为0.85dB。

4.3.2.2 噪声的结果分析

前级输入短路到地后，从测试可知，噪声的峰峰值为210mVp-p。 4.3.2.3 增益可调测试的结果分析

从结果来看，最大误差为6.4%，控制精度优于10%。 4.3.2.3 结果分析总结

经调试，硬件部分及软件程序等系统的各组成部分，经过测试及由上面的测试数据可知，本装置基本满足“设计题目及要求”中的要求。但其中噪声较大，我们认为其原因是没将压控增益放大器这一模块下的压控端的噪声抑制住，数字地与模拟地的波动，会从这引入噪声。也没有在前面加入电磁屏蔽，导致线路中引入空气中的噪声。

从结果来看，系统的通带>120MHz，0到80MHz平坦度小于1dB,该系统的指标之所以能够超过设计任务要求，最主要的原因得益于PCB板上对信号的处理以及采用了扩宽压控增益放大器的带宽的电路结构。是系统的指标能够超过任务要求完成。

5 收获与体会

经过这次比赛，我们学到很多。从题目发布的那一刻起，我们就忙碌起来了。在这个过程，我们对题目的分析与设计能力，对电路的制作与探究能力，都得到了很大的提升。当信号变成超高速信号时，很多平时看似理所当然的现象在此时都会发生变化，如一根导线在低频时仅是一根导线而已，高频时则会对信号造成相移的影响。总之经过这次比赛，我们的分析与动手能力均得到提高，是我们大学生涯中最有意义的比赛之一。

6 参考文献

1 张肃文.高频电子线路.第3版.北京：高等教育出版社，1993

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2 董在望等.通信电路原理.第2版.北京：高等教育出版社，2002 3 张凤言.电子线路基础.第2版.北京：高等教育出版社，1995 4 陈邦媛.射频通信电路.北京：科学技术出版社，2004

5 黄争《德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用和选型指南》 2012

7附录

7.1原理图

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7.2元件清单

OPA695，STM32F103，LMH6502，TLV5636，TPS电容电阻等。

7.3程序清单（主函数部分）

int main(void) {

// u16 sin_vol=0; // u16 t;

Stm32_Clock_Init(9); //系统时钟设置 delay_init(72); //延时初始化 EXTIX_Init(); Serial_Init_Lcd();

Serial_Display_Aline(1,0,msg1); Serial_Display_Aline(2,0,msg2); Serial_Display_Aline(3,0,msg3); Serial_Display_Aline(4,0,msg4); TLV5636_Init();

out_level=da_out_table[defi_level]; jidianqi(defi_level); // out_level=out_level*2;

// TLV5637_write(DACA_OUT|(out_level<<2)); TLV5636_write_16bit(out_level*2); // da_level=defi_level; while(1) {

// if(sin_vol<1015) // {

// TLV5637_write(DACA_OUT|(sin_vol<<2)); // sin_vol=sin_vol+6; // }

// else sin_vol=0; if(KEY_FLAG) { u16 freq_dis; u16 freq_dis2; u16 fft_freq; // TIM3->CR1&=~(1<<0); //close定时器3 Serial_Send_Byte(comm,0x85); Serial_Send_Byte(comm,0x0F); while(KEY_FLAG); // Serial_Send_Byte(comm,0x0C); // single_wave(dds_freq);

0 1

// // jidianqi(defi_level);

out_level=da_out_table[defi_level];

TLV5637_write(DACA_OUT|(out_level<<2)); out_level=out_level*2;

}

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TLV5636_write_16bit(out_level*2); fft_freq=out_level; freq_dis=fft_freq%100; freq_dis2=freq_dis/10;

Serial_Send_Byte(comm,0x8e);

Serial_Send_Byte(datt,freq_dis2+0x30); freq_dis2=freq_dis%10;

Serial_Send_Byte(datt,freq_dis2+0x30); fft_freq=fft_freq/100; freq_dis=fft_freq%100; freq_dis2=freq_dis/10;

Serial_Send_Byte(comm,0x8d); if(freq_dis2==0) { Serial_Send_Byte(datt,0x20); } else { Serial_Send_Byte(datt,freq_dis2+0x30); }

// Serial_Send_Byte(datt,freq_dis2+0x30); freq_dis2=freq_dis%10; if(freq_dis==0) { Serial_Send_Byte(datt,0x20); } else { Serial_Send_Byte(datt,freq_dis2+0x30); } }

}