趙同剛，曹貝貝

(北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，北京 海淀 100876)

·實 驗 技 術(shù)·

增益控制射頻放大器的設(shè)計與實現(xiàn)

趙同剛，曹貝貝

(北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，北京 海淀 100876)

為了提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，學(xué)校將典型的電子競賽題目應(yīng)用于本科的日常教學(xué)。該文以增益程控射頻放大器為例，闡述了題目設(shè)計和方案實施。涉及增益程控射頻放大器的各器件不僅鞏固了學(xué)生掌握的基礎(chǔ)知識，而且提高了學(xué)生獨立思考、解決問題的能力，同時學(xué)生的動手能力也達到了很好的鍛煉。

增益程控;寬帶放大器;壓控放大;高通濾波

近幾年來，社會對于電子信息類人才的需求越來越大。一個卓越的工程師，不僅需要扎實的理論基礎(chǔ)、寬廣的知識面，更需要優(yōu)秀的創(chuàng)新能力和分析解決具體問題的綜合能力。北京郵電大學(xué)在培養(yǎng)電子信息類專業(yè)卓越工程師計劃中，制定了“以社會需求為導(dǎo)向，以實際工程為背景，以工程技術(shù)為主線，著力提高學(xué)生的工程意識、工程素質(zhì)和工程實踐能力”的教學(xué)總方針[1]。實驗中心根據(jù)好的創(chuàng)新題目、典型電子設(shè)計競賽題目，不斷更新實驗教學(xué)內(nèi)容。社會發(fā)展的需求，電子設(shè)計競賽水平的逐年提高，對學(xué)生的綜合實力提出了更高的要求。為了提升學(xué)生的綜合能力，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，我們及時更新典型電子設(shè)計競賽題目，將其應(yīng)用到本科日常實驗教學(xué)當中。本文以2015年全國大學(xué)生電子競賽當中的D題——增益可控射頻放大器應(yīng)用到實驗課程為例，闡述設(shè)計并制作一個增益可控射頻放大器的系統(tǒng)設(shè)計方案及具體環(huán)節(jié)的各個過程與步驟。

1 系統(tǒng)理論分析與計算

題目要求：設(shè)計并制作一個增益可控射頻放大器，實現(xiàn)電壓增益G，增益步進控制，控制范圍為12～40 dB，增益控制步長為4 dB，增益絕對誤差不大于2 dB，并能顯示設(shè)定的增益值[2]。該系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)如下。

增益程控射頻放大器由固定增益放大模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、增益步進可調(diào)模塊和帶通濾波器模塊組成[3-4]。其中，放大模塊，采用寬帶運算放大器實現(xiàn)，利用高帶寬、高壓擺率的寬帶運放實現(xiàn)放大；增益可調(diào)模塊，采用壓控放大器，其增益可由外部電壓控制，實現(xiàn)增益步進可調(diào)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

1.1 射頻放大器設(shè)計

題目要求電壓增益G≥52 dB，輸入信號頻率f≥200 MHz，則若采用單級放大，要求運放增益帶寬積為：

GBW=200 MHz×400=80 GHz

(1)

目前沒有運放可以達到80 GHz的增益帶寬積，故采用多級放大的方式實現(xiàn)設(shè)計。

SR=2πfVpk

(2)

(3)

SR=3 516.8 V/μs

(4)

分析后級芯片壓擺率要求較高，因此選擇AD8009作為后級放大運放，AD8009壓擺率達到5 500 V/μs，且?guī)挒?.8 GHz，滿足設(shè)計要求，因此選擇THS3201作為放大電路的末級[5]。

1.2 頻帶內(nèi)增益起伏的控制

可以選增益曲線平坦的器件，如電流反饋型運放OPA695，通頻帶平緩，帶寬1.7 GHz，滿足題目要求的200 MHz。注意級間阻抗匹配，設(shè)計中考慮輸出頻率補償，中間級使用壓控放大器VCA821在一定頻帶內(nèi)輸出信號會有波動。根據(jù)VCA821 datasheet提供，在壓控電阻控制端進行頻率補償，可擴展信號頻帶，使輸出信號增益穩(wěn)定，達到題目的“波動≤1 dB”指標[6]。

1.3 射頻放大器穩(wěn)定方法

由于系統(tǒng)輸入信號頻率為40～200 MHz，信號有效值小于5 mV，放大器容易引入噪聲。晶體管中寄生電容在高頻時形成內(nèi)反饋，從而影響到放大器工作的穩(wěn)定性，引起自激。因此，本設(shè)計利用寬帶運算放大器OPA695做緩沖級，減小噪聲對后級影響，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

另外，在放大器板上運放電源線及數(shù)字信號線加電容濾波，濾除較低頻率的干擾。在兩個焊接版之間傳遞模擬信號時用同軸電纜，信號輸入輸出使用SMA-BNC接頭以使傳輸阻抗匹配，并減少空間電磁波對該電路的干擾，避免放大器自激[7]。

1.4 增益調(diào)整方案

根據(jù)VCA821數(shù)據(jù)手冊，可以計算其增益：

(5)

選擇Rf為390 Ω，Rg為82 Ω，分式寫為Vrf，改變Vrf以達到控制電壓的目的。

2 電路實現(xiàn)與程序

整個設(shè)計電路的實現(xiàn)包括壓控增益電路模塊、緩沖級模塊電路、主放大電路模塊、無源濾波等幾個部分，具體實現(xiàn)如下。

2.1 壓控增益電路

通過壓控放大器VCA821實現(xiàn)增益可調(diào)。VCA821為寬帶壓控放大器，10倍增益帶寬為320 MHz，完全達到題目的100 MHz帶寬要求[8]。電路如圖2所示。

圖2 壓控放大器實現(xiàn)放大電路

2.2 緩沖級電路

OPA695頻帶寬度1.8 GHz，壓擺率為950 V/μs，用OPA695做一級緩沖級，從而隔離前后級，增大前級VCA821驅(qū)動能力[9]，具體電路如圖3所示。

圖3 緩沖電路的實現(xiàn)

2.3 后級放大電路

后級電路通過OPA695、AD8009兩級放大電路實現(xiàn)增益G≥40 dB，AD8009帶寬為1 800 MHz，壓擺率為5 550 V/μs，可以達到設(shè)計要求[10]，電路如圖4所示。

圖4 后級放大電路

2.4 濾波電路

采用LC無源濾波設(shè)計截止頻率為40 MHz的高通濾波器，具體電路如圖5所示。

圖5 高通濾波電路

2.5 程序設(shè)計流程

矩陣鍵盤輸入目標增益值，通過DA方式改變VCA821的增益值，并在OLED屏上顯示設(shè)置的增益值，程序流程如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)圖

3 測試方案和結(jié)果分析

3.1 放大器電壓增益測試

設(shè)置信號源產(chǎn)生有效值為Ui=5 mV，將頻率為f=100 MHz的正弦信號送入系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出端并聯(lián)50 Ω電阻到地作為負載。用示波器同時觀察系統(tǒng)的輸入信號和輸出信號。進一步改變輸入信號頻率f=200 MHz，示波器觀測系統(tǒng)輸出信號。系統(tǒng)輸出信號是否滿足有效值Ui=2 V指標。并計算電壓增益是否滿足G≥52 dB的指標[11]。

3.2 放大器帶寬測試

設(shè)置信號源產(chǎn)生Ui=5 mV有效值正弦信號，系統(tǒng)增益為52 dB，調(diào)節(jié)輸入信號頻率在1～200 MHz范圍內(nèi)連續(xù)變化，觀測輸出信號是否有波動。在輸入信號頻帶范圍內(nèi)找到輸出信號幅度最大值和最小值，計算帶內(nèi)波動2 dB時所對應(yīng)的上下限頻率，是否滿足fl≤50 MHz、fl≥160 MHz。繼續(xù)擴大輸入信號頻率范圍，找到輸出信號幅值下降3 dB所對應(yīng)的上下限頻率，計算是否滿足fl≤40 MHz、fl≥200 MHz。經(jīng)測試，以上指標均滿足要求。

3.3 放大器衰減測試

設(shè)置信號源產(chǎn)生Ui=5 mV有效值正弦信號，設(shè)置頻率為20 MHz，計算放大倍數(shù)是否滿足小于等于20 dB的要求。再將頻率設(shè)置為270 MHz，計算放大倍數(shù)，是否滿足小于等于20 dB的要求。按照設(shè)計電路，測試的結(jié)果滿足以上指標要求。

3.4 放大器步進測試

設(shè)置信號源產(chǎn)生Ui=5 mV有效值的正弦信號，設(shè)置頻率為60 MHz，從12 dB開始，以4 dB為步進，直到增長到52 dB，測試輸出電壓是否滿足電壓增益設(shè)定值[12]。最終測試得到：利用以上設(shè)計方案，放大器的電壓增益G≥52 dB，增益控制范圍為20～52 dB，增益控制步長為4 dB，增益絕對誤差不大于2 dB，并能顯示設(shè)定的增益值。輸入電壓有效值Vi≤5 mV，其輸入阻抗、輸出阻抗均為50 Ω，負載電阻50 Ω，且輸出電壓有效值V0≥2 V，波形無明顯失真；在50 MHz～160 MHz頻率范圍內(nèi)增益波動不大于2 dB；-3 dB的通頻帶不窄于40 MHz～200 MHz，即fL≤40 MHz和fH≥200 MHz；當輸入信號頻率f≤20 MHz或輸入信號頻率f≤270 MHz時，實測電壓增益G均不大于20 dB。采用點頻法測量數(shù)據(jù)如表1所示，測試結(jié)果滿足競賽題目設(shè)計要求。

表1 點頻法測量數(shù)據(jù)表

4 結(jié)束語

北京郵電大學(xué)經(jīng)過多年的摸索和改革，不斷地改造典型電子競賽題目應(yīng)用到本科實驗教學(xué)活動中，豐富了設(shè)計、綜合型的實驗內(nèi)容，同學(xué)們從中獲益匪淺，不僅驗證和鞏固了基礎(chǔ)理論知識，而且通過新增實驗內(nèi)容，提高了自學(xué)能力和創(chuàng)新能力，增強了學(xué)生的綜合實力。通過實驗教學(xué)、電子競賽培訓(xùn)和創(chuàng)新項目的聯(lián)合培養(yǎng)，學(xué)生實踐動手能力整體上升，在全國和北京市電子設(shè)計競賽中屢創(chuàng)佳績。2014年，共獲得8個北京市一等獎，2個北京市二等獎的成績；2015年，在全國電子設(shè)計競賽中，獲得3個全國二等獎，6個北京市一等獎，3個北京市二等獎的成績。通過實驗教學(xué)的改進，學(xué)生在畢業(yè)生就業(yè)、研究生錄取和出國方面都展示了很強的實力。在電子信息領(lǐng)域的綜合素質(zhì)得到了很大的提高。

[1]趙同剛，劉樂.以卓越工程師為目標驅(qū)動人才培養(yǎng)方式的改革[J].實驗技術(shù)與管理，2015，32(1)：164-166.

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[4]塞爾吉奧弗朗哥.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2010.

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[8]王菊嬌，成世龍，羅宜春.增益可控射頻放大器[J].科技展望，2016(2)：155.

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[10]曹勝果，許建明，申穎，等.基于射頻放大器的開放實驗項目研究與實現(xiàn)[J].電子世界，2015(19)：19-20.

[11]郭小鳳，劉帥，李楠楠，等.一種增益可控射頻放大器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測試，2015(19)：19-22.

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DesignandImplementationoftheRFAmplifierGainControl

ZHAO Tonggang，CAO Beibei

(School of Electronic & Engineering，Beijing University of Posts and Telecommunications，Haidian 100876，China)

In order to improve students’ ability of innovation and practice，the school will be a typical electronic competition topics applied to undergraduate daily teaching.In this paper，took the gain programmable radio frequency amplifier as an example，described the problem design and program implementation.The devices used by the gain programmable radio frequency amplifiers not only can consolidate the basic knowledge of the students，but also can improve the students ‘a(chǎn)bility to think and solve problems independently.Students’ practical ability has also reached a good exercise.

programmable gain；broadband amplifiers；voltage controlled amplification；high-passfiltering

2016-06-01；修改日期:2016-12-27

以卓越工程師為目標驅(qū)動的電子信息類專業(yè)實驗課程改革(2014-ms035)。

趙同剛(1972-)，博士，教授，主要從事電磁場與微波技術(shù)方面的研究。

TN82，G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.003