全国电子设计大赛武汉大学射频宽带放大器.ppt
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 60dB 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、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）。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，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。PCB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 SMBV100A500M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！,
