2013年D题(本科):射频宽带放大器

1年前

简介:射频宽带放大器

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描述

1.题目内容及要求


1.1内容


设计并制作一个射频宽带放大器。


1.2要求


1.2.1 基本要求


(1)电压增益 A v ≥20dB,输入电压有效值 U i ≤20mV。A v 在 0~20dB 范


围内可调。


(2)最大输出正弦波电压有效值 U o ≥200mV,输出信号波形无明显失真。


(3)放大器 BW -3dB 的下限频率 f L ≤0.3MHz,上限频率 f H ≥20MHz,并要


求在 1MHz~15MHz 频带内增益起伏≤1dB。


(4)放大器的输入阻抗 = 50W,输出阻抗 = 50 W。


1.2.2 发挥部分


(1)电压增益 A v ≥60dB,输入电压有效值 U i ≤1 mV。A v 在 0~60dB 范围内可调。


(2)在 A v ≥60dB 时,输出端噪声电压的峰峰值 U oNpp ≤100mV。

(3)放大器 BW -3dB 的下限频率 f L ≤0.3MHz,上限频率 f H ≥100MHz,并要求在 1MHz~80MHz 频带内增益起伏≤1dB。该项目要求在 A v ≥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 U o ≥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 U o ≥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)。

1.3说明

(1)要求负载电阻两端预留测试端子。最大输出正弦波电压有效值应在R L =50W条件下测试(要求 R L 阻值误差≤5 %),如负载电阻不符合要求,该项目不得分。

(2)评测时参赛队自备一台 220V 交流输入的直流稳压电源。

(3) 建议的测试框图如图 1 所示,可采用点频测试法。射频宽带放大器幅频特性示意图如图 2 所示。

2.设计思路

经过对题目的分析之后,可以看出我们需要制作一个增益可控的射频宽带放大器,就增益控制方面我们采取了两种方式,第一种是手动控制,第二种是单片机控制。因此整体电路的设计可以分为两部分:模拟信号处理电路部分和单片机显示及控制部分。

对于模拟信号处理电路部分,我们做了以下的几点分析:硬件需要实现的指标有以下几点:增益范围在20dB—60dB增益可控、 U o ≥1V,输入电压有效值U i在1mV—20mV(当增益大于60dB时,输入电压有效值 U i ≤1 mV),频带宽度为0.3MHz—

100MHz。由输入信号的数量级以及整体系统的增益大小,我们决定在第一级电路采用低噪音小信号放大器;第二级为可控增益放大器,这一级可采用的方案比较多,平常我们能用到的就有VCA电压控制增益放大器、模拟乘法器、高频衰减器等;第三级做一

个固定增益模块,考虑到前两级的增益可能在40dB左右以及带宽的问题,最后需要一个宽带的固定增益放大器。

对于单片机显示及控制部分,有如下要求:输入按键电路、显示控制信息电路、控制增益部分。

综上所述,第一级电路采用基于ERA-8SM芯片的小信号放大器,第二级电路采用基于VCA821芯片的程控放大器,第三级电路采用基于OPA695的固定增益放大。单片机采用stm32芯片。

3.原理图分析

3.1第一级小信号放电路

如图1所示,为第一级ERA-8SM低噪音小信号放大电路。R2是一个限流电阻,阻值与所加的VCC有关,L1直流馈电采用感值较大的电感元件,由于ERA-8SM需要50Ω阻抗匹配,因此经过实际的调整以及计算后加入一个1uf的电容。


图片1.png

图1


3.2第二级程控增益控制电路

如图2所示,为第二级VCA821增益控制电路。R14为增益电阻,为了让输入能接收更大的电压幅度,取的电阻值为220Q。由于电路属于单端输入,因此在-Vin引脚采用22Ω电阻串接接地。而在参考电压VREF引脚通过一个小电阻到地,目的是以0V电压做参

考,控制电压的范围为0—2V。

在手动控制的过程中因为VCA821的控制电压在0—2V,所以取R5=20k,RP1=10k,则控制电压在0—1.667V。


图片2.png

图2


3.3第三级固定增益电路

如图3 图4所示,为第三级固定增益电路,这级电路由两个OPA695模块级联而成,这使整个系统的放大性能更加的稳定可靠。 图片3.png图片4.png

图3                                                                                                                                               图4


4.实物展示


图5第一级电路小信号放大 图片5.png

图5

图6第二级电路可控增益放大


图片6.png

图6

图7第三级电路固定放大

图片7.png

图7

5.调试流程

5.1带宽调试

5.1.1在Av≥60dB下,1MHz—80MHz频带内增益起伏≤1dB。

f=1MHz 图片8.png

图8

f=20MHz 图片9.png


图9

f=40MHz 图片10.png

图10

f=60MHz 图片11.png

图11

f=80MHz 图片12.png

图12

可见在1MHz—80MHz频带内增益起伏≤1dB,满足要求

5.1.2放大器 BW -3dB 的下限频率 f L ≤0.3MHz,上限频率 f H ≥100MHz调试

由下图13可见放大器 BW -3dB 的下限频率 f L=0.22MHz 图片13.png

图13

如下图14可见放大器 BW -3dB 的上限频率 f H=104MHz 图片14.png

图14

5.2调试可控增益。这里我们选择输入信号频率=40MHz,Ui=1mV的正弦波信号

图15是在60dB增益下的波形 图片15.png

图15

图16是在40dB增益下的波形

图片16.png

图16

图17是在20dB增益下的波形

图片17.png

图17

5.3 噪音测试

由图18可见在 A v ≥60dB 时,输出端噪声电压的峰峰值 U oNpp =38mV左右,满足要求

图片18.png

图18

6.视频演示

系统调试视频地址:https://www.bilibili.com/video/BV1Vv411i7f7/

7.源码附件

程序流程图.png

图19

其他模块链接:

程控放大器:https://oshwhub.com/he-mu-cao/vca821

第一级固定增益放大器:https://oshwhub.com/he-mu-cao/ova11

第二级固定增益放大器:https://oshwhub.com/he-mu-cao/opa22

BOM

ID Name Designator Footprint Quantity
1 R_3296W_EU RP2 RES-ADJ-TH_3296W 1
2 0.1u C8,C7,C3,C4 C0805 4
3 100nf C1,C2 C0805 2
4 HDR-F-2.54_1x3 H1,H2,H3 HDR-F-2.54_1X3 3
5 DOSIN-806-0010 RF1,RF2 CONN-SMD_DOSIN-806-0010 2
6 OPA695ID U1 SOIC-8 1
7 1u C5,C6 C0805 2
8 100R R2 C0805 1
9 75R R1 C0805 1

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