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1、全国电子设计大赛 射频宽带放大器,主要内容,1. 设计要求,1基本要求 （1）电压增益 Av 20dB ，输入电压，输入电压有效值 Ui 20m V。Av在 020dB 范 围内可调。 （2）最大输出正弦波 电压有效值 Uo200mV，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 fH20MHz ，并要求在 1MHz 15MHz 频带内增益起伏 1dB 。 （4）放大器的输入阻抗 = 50，输出阻抗 = 50。2发挥要求 （1）电压增益 Av 60dB ，输入电压有效值 Ui 1 mV 。Av在 060dB范围内可调。 （2）在 Av 6
2、0dB 时，输出端噪声电压的峰值 100m V。 （3）放大器 BW -3dB 的下限频率 的下限频率 fL 0.3MHz ，上限频率 fH100MHz ，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）。,2.方案选择与论证,3.系统总体设计方案,系统以MSP430F449单片机为控制核心，硬件部分主要包括前级小信号放大、程控增益放大
3、、后级功率放大和继电器控制模块。软件部分主要包括VCA824压控电压的DAC输出控制和继电器选择和切换控制以及按键和显示，总体框图如下:,具体模块设计,具体模块设计,二、程控增益放大电路程控增益放大电路是整个系统增益可调的主要部分，它可以实现对增益连续可调。在设计中采用了程控增益芯片VCA824，VCA824是一款宽带，电压线性，连续可变的电压控制增益放大器。其增益最大调节范围可以达到40db，信号带宽可以达到420MHz。在本设计中，使用了20db的调节范围(主要是为了提高调节的裕量) 单片机控制的12位串行D/A TLV5616来实现控制电压的直流输出（0-1V，相应的增益为0-20db）
4、。具体电路如下：,具体模块设计,三、后级功率放大电路系统要求输出负载50，输出电压有效值不低于1V。因此在设计中选择了电流反馈型运放THS3091，旨在增强系统带负载的能力。THS3091带宽可以达到180MHz，压摆率为7300V/us，最大输出电流可以达到250mA，完全满足系统要求，实际测试当输出电压有效值大于1V时，输出波形无明显失真。具体电路如下：,系统采用了电压反馈和电流反馈运算放大器。接下来就这两种放大器的增益设置和稳定性做理论分析。 一、增益设置1，正常工作频带内，电压反馈运放的增益和-3dB截止频率表达式分别为：， 即带宽增益积为常数。所以电压反馈运放的-3dB带宽位置受增益
5、的影响，电压增益增大时，带宽成比例下降。在使用电压反馈运放时，要充分权衡电压增益与带宽的关系。,4.理论分析及计算,2，系统输出需要驱动50电阻，最大输出电压有效值不小于1V,则运放输出电流不小于20mA。本方案最后一级采用了THS3901，THS3091是一款电流反馈运算放大器，其增益和-3dB截止频率表达式分别为：由上式可见，电流反馈运放的增益和带宽是相互独立的，其-3dB带宽位置仅受反馈电阻Rf的影响，因此选取合适的反馈电阻非常重要，设计中采用的是官方推荐的电阻大小。,4.理论分析及计算,二、放大器稳定性设反馈放大器的稳态频率响应为:其中， 为开环增益函数， 为反馈函数。若在某一频率 上
6、，满足环路增益为当 ，即环路增益为0db时， ，则此时即使输入信号为零，仍有某一频率的信号输出，即反馈放大器出现自激。要保证反馈放大器稳定工作，必须使其远离自激状态，这种远离程度可用相位裕量 表示，其定义式为，显然，相位裕量越大系统越稳定。因此，在实际设计电路中，应预有足够的相位裕量。,4.理论分析及计算,尝试过在普通电路板上焊接电路，结果发现非常容易自激，最后决定采用PCB制作。利用Altium designer设计原理图和PCB。比赛过程中由于时间和器材的限制，只能在实验室内部就地取材，将铜板改做成最基本的印制电路板，由于器材限制不能使用过孔、通孔、双层板等，对本次设计增加了一定的难度。P
7、CB底层和顶层大面积铺地，降低接地总线的分布阻抗，在每个运放的电源管脚处用0.1uF和10uF的电容并联去耦，同时使信号尽量在同一平面甚至是同一直线上，增强系统的稳定性，降低噪声。,5. 系统模块设计,5. 系统模块设计,前级放大OPA847,5. 系统模块设计,程控放大VCA824,5. 系统模块设计,第一级放大THS3091,第二级放大THS3091,继电器切换,5. 系统设计之实物图,5. 系统设计 之实物图,测试条件 9K3.2GHz函数信号发生器：型号ROHDE &SCHWARZ SMBV100A 500M数字存储示波器：型号Tektronix TDS3052C 测试结果系统测试输入输出出阻抗为50， -3dB通频带 , 。在9KHz102MHz频带内增益起伏小于1dB。本系统增益调节范围0dB65dB之间，最大不失真输出电压有效值为1.30V。输出噪声峰峰值最大为105mV。,6. 系统测试结果,整个系统选取宽带、低噪声器件，采用多种抗干扰措施以及自制印制电路板，实现了射频宽带放大器系统的基本部分和大部分发挥部分。,7. 总结,谢谢！,
