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射频宽带放大器设计方案、系统理论、测试方法

时间:2018-04-21 23:36来源:海猎人

无线通信的快速发展,对信息通讯起到了促进作用。射频宽带放大器一般应用于广播、电视、无线通信系统和射频信号发生器中,主要特点是在很宽的频带范围内,能够实现阻抗匹配,增益的起伏变化很小。传统采用负反馈和集成宽带可控增益放大器技术方案,由于其内部通常是由固定增益放大器和电阻衰减网络组成,增益调节范围和工作带宽

均受到一定限制。本设计方案通过宽带乘法器调节增益,很好地解决了这一问题。

1 系统设计框图

总体设计方案如图1所示。输入信号进入前级放大器OPA2695,经过三级连续放大,最终进入相乘系数可调的乘法器AD835,通过调整相乘系数实现增益可调的放大功能。

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2 系统理论分析

2.1 前级放大器

系统前级放大器电路如图2所示。由图2可知,前级放大器的增益为:

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系统通频带由三级OPA2695、AD835共同决定,由频率响应公式可知系统增益与频率的关系为:

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式(1)中,Av1、Av2、Av3分别为前三级放大器的增益,Av4为后级乘法器的增益,这个增益是可以通过调整比例电阻和单片机DA输出来调整的。

式(5)中f2695_1、f2659_2、f2695_3、f835分别是器件中响应运放的通频带,|AuI|为放大器链路中各级放大器的中频电压放大倍数。

前级同相放大电路采用双电源供电。信号输入端接50Ω电阻R1,实现放大器与信号源的阻抗匹配。R2和R3确定放大器增益。50Ω电阻R4是级间匹配电阻。R5是0Ω电阻,起到抑制噪声和防止放大器自激振荡的作用。第二级放大器的结构与第一级相似,R6是50Ω匹配电阻,增益Av2=20lg(1+R8/R7),R9是级间匹配电阻,R10是防自激、抑制噪声的0Ω电阻。第三级放大器与前两级类似,不再赘述。

电路中为了有效地防止出现自激现象、保证电源的稳定,在前级运算放大器的正负电源引脚上分别加了10μF和100nF的滤波电容,除此之外在正负电源之间跨接了100nF匹配电容C1,起到改善放大器二次谐波输出的作用。

2.2 后级增益可调电路

后级增益可调电路如图3所示。宽带乘法器采用AD835芯片,电阻R18和R19确定乘法器的放大倍数,C10为补偿电容,C13、C14、C15、C16分别是电源滤波电容。经过前级放大器放大之后的信号从乘法器y1输入,与单片机输出的DA电压x1相乘后,最终从w端输出。输出电压为:

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其中,U为比例系数,通常取1.05。由电路的接法可知,x2=y2=0。由此可知,本增益可控宽带放大器的带宽与乘法器芯片密切相关。

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3 电路参数设计

前级放大器采用两片OPA2695芯片,OPA2695是电流反馈型放大器,具有带宽范围大、转换速率快、低功耗的特点。在GAIN=+2V/V的情况下,带宽达到850MHz,在GAIN=+8V /V的情况下,带宽达到450MHz。依据以往的经验,最终确定前级放大倍数Av1=14dB,Av2=26dB,Av3=20dB,总的增益可以达到60dB。电阻R2=56.2Ω、R3=220Ω、R7=56.2Ω、

R8=1.2kΩ、R12=56.2Ω、R13=510Ω。这样设计增益可以减少电路的总噪声,提高电路工作的稳定性。

后级的AD835乘法器,拥有跨导线性核心,支持三线XYZ线性电压转换,并可以驱动负载输出,带宽为250MHz,基本功能是W=XY+Z,由实际电路连接,Vout=Vg*Vin。Vg的电压变换范围从-1V到1V,可以实现整体电路从0dB~60dB的增益可调。被前级放大的信号输入到乘法器的y1端口,单片机控制DA输出作为相乘的电压,输入到乘法器x1端口,用于实现对放大器总增益的线性调节。电路中R18=97.6Ω、R19=300Ω、C10=33pF。

4 测试方法与测试结果分析

测试用的PCB经过仔细的布局,尽量避免各种噪声干扰,注意单点接地、电源隔离、各模块之间使用同轴电缆相连等细节问题,最终自己焊接测试。

4.1 测试方法

测试频带内增益起伏:调节增益≥60dB,用高频函数发生器SP1501给系统输入信号,用高频毫伏表SP2271和高频示波器MSO-X 2022A测量输出,改变高频函数发生器的信号频率,用高频示波器观察和测量输出幅度。

测试输入输出阻抗:输出端加入负载,测量加入负载后的输出电压。

4.2 测试结果及分析

通频带内增益起伏增益≥60dB。测试结果如表1所示。

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由表1可知,设计的系统增益可调范围是0dB~60dB,而且在通频带内增益起伏1dB,系统性能稳定,带宽>100MHz,下限频率0.3MHz,上限频率>100MHz。

5 结束语

本宽带放大器的优点是固定增益电路和增益调节电路分离,充分利用固定增益放大器级联后的高增益、宽带宽特点和乘法器的宽带宽优势,将固定增益放大电路放大后的信号与单片机DA输出信号在乘法器中相乘,通过调节DA信号实现对放大器总体增益的调节,解决了传统增益和带宽受限的问题。

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