电子系统设计
方案设计：增益可调的宽带放大器
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指导教师：
提交时间：2015年12月11日
增益可调的宽带放大器
摘要：本设计以增益调整、带宽预置、单片机反馈调节为核心，制作一个射频宽带放大
器，要求具有0.3~100MHz 通频带，增益0~60dB 范围内可调，并且实现输入输出阻抗、最大输出正弦波有效值、指定频带内平坦度等功能指标要求。由于系统输入信号小，频率高，带宽要求大，可控增益范围宽，并且需要满足平坦度、输出噪声电压等指标。为此，采用高增益带宽运放组成频带预置、AD8367的压控增益放大系统完成增益调整、单片机实现反馈调节。除此之外，通过增加缓冲级、外加硬件保护措施有效地抑制了高频信号的噪声和自激振荡。经测试，系统对mV 1≤的输入信号实现了增益0~60dB 范围内可调，带宽0.3~100MHz ，并在1~80MHz 频带内增益起伏dB 1≤，且全程波形无明显失真。完成了题目所要求的所有基本要求以及绝大部分发挥部分的性能指标。
1.系统方案设计与论证
1.1总体方案设计与论证
分析该射频宽带放大器设计的指标，为达到题目所设定带宽与增益可调，并且能够满足在输入和输出阻抗=50Ω的情况下，最大输出正弦波电压有效值达到要求的目的，我们将整个系统分为前置缓冲级、带宽预置、增益调整、输出缓冲级、峰值检波等部分组成，主控器采用STC12系列单片机。系统整体框图如图1所示：
图1 系统框图
1.2前置缓冲级的方案论证与选择
前置缓冲电路使用电压跟随器实现，如图2所示。考虑到本系统的通频带为0.3~100MHz，且输入阻抗限定为50Ω，由正相输入电压跟随器的输入阻抗为Rj趋于无穷大，所以图2电
路的输入阻抗为
k
k
k
k
R
R
R
R
R
R
R
R≈
+
*
=
=
j
j
j
n i
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。则可令实际电路取Rk=50Ω以达到输入阻抗要求。
除此之外，此前置放大电路还具有缓冲、避免引入噪声等作用，起到了良好的隔离功能。其电压增益接近于1，运算放大器选用AD8005，此放大器的增益带宽积达到270MHz。
图2 前置缓冲级
1.3带宽预置的方案论证与选择
方案一：通过对继电器L1和L2触点的控制实现系统通频带0.3~20MHz和0.3~100MHz 两个范围的预置。可令系统默认选择0.3~20MHz通频带，通过键盘选择通频带，使单片机对继电器进行操作，使系统实现了预置0.3~100MHz的通频带。
方案二：通过外部触发使单片机控制模拟开关CD4502选通指定通道，从而实现对由高增益带宽运放构成的带通网络进行预置，方案流程如图3所示。
图3 带宽预置流程图
分析两种方案可知方案一继电器连线多且复杂，体积大，触点数量有限，且工作过程中会产生噪声，影响测试总体效果。方案二使用单片机和模拟开关控制带宽预置简单稳定，易于调整，所以选择方案二。
1.4增益调整的方案论证与选择
方案一：场效应管控制增益。利用单片机控制场效应管工作在可变电阻区，利用其电压与电阻的线性关系来实现增益的控制。
方案二：为了易于实现增益范围0~60dB的调节，可以采用高速乘法器型D/A实现，比如AD7420。利用D/A 转换器的VRef 作信号的输入端，D/A 的输出端做输出。用D/A 转换器的数字量输入端控制传输衰减实现增益控制。
方案三：可变增益放大器AD8367级联。题目要求0~60dB可调增益，而 AD8367的可调范围-2.5dB ~ +42.5dB，具有500M的增益带宽积。可采用两片AD8367级联作为增益放大级并且通过单片机反馈的峰值检测结果对已进行小倍数放大的信号进行再次放大或衰减以实现Av在0~60dB范围内可调。
方案一中由于大量分立元件的引入，使得电路复杂且稳定性差。方案二虽然简单易行，精确度高，但查阅相关资料可知：转化非线性误差大，带宽只有几kHz，而且当信号频率较高时，系统容易发生自激，因此未选此方案。方案三采用了可变增益放大器AD8367，具有以dB为单位的线性增益的特点，并且以单片机作为控制可以满足题目要求0~60dB可调，方
案方便、稳定，可操作性强，所以采用方案三。
1.5峰值检波的方案论证与选择
方案一：采用集成真有效值变换芯片，直接输出被测信号的真有效值,例如AD637，将输出的有效值送至单片机进行对增益的反馈调整。
方案二：考虑到本题要求测量的是标准正弦波，可采用峰值检波电路，检出峰值经A/D 转换后由单片机转换为有效值后对增益进行调整。
经过分析，由于一般的有效值检波的芯片难以达到100MHz的宽带，无法满足设计要求。而方案二经过高频采样保持电路后可以达到检波要求，并且精度较高，速度较快，所以采用方案二。
2.系统理论分析与计算
2.1宽带放大器设计的理论分析与计算
基本部分要求放大器的下限频率fL≤0.3MHz，上限频率fH≥20MHz，为此我们选择用两片低噪声、高速放大器AD8021分别构成的高低通环节级联构成通频带为0.3MHz~20MHz的带通滤波器。其中AD8021具有高速、低噪声、从G=-1至G=-10之间具有恒定带宽490M定制补偿功能，且考虑到之后增益调整环节为主要放大镜，所以该电路完全符合基础部分0.3MHz~20MHz的带宽要求。同理，为满足发挥部分下限频率fL≤0.3MHz，上限频率fH≥100MHz的带宽要求，采用AD8021和OPA846分别作为高低通环节级联成带通滤波器。其中OPA846是一款低噪声、电压反馈运算放大器，其具有的400MHz高增益带宽积可满足发挥部分0.3MHz~100MHz带宽要求。
2.2频带内增益起伏控制的理论分析与计算
题目中要求通频带内增益起伏≤1dB，因此本设计的频带预置部分采用巴特沃斯滤波器，巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线实现最大限度平坦，没有起伏。虽然在阻频带内会缓慢下降为零，通过增加滤波器阶数加快阻带内的衰减，并且将输出波形峰值检波的结果模拟量送至STC12系列单片机自带的A/D，再利用外部D/A转换实现单片机对频带内增益起伏的递增、递减控制以实现增益起伏≤1dB。
2.3射频放大器稳定性的理论分析与计算
由于放大器的输入频率过高，将在小信号放大过程产生高频杂波，由于多级放大器级联，容易产生高频自激振荡，且随着频率的升高，增益将被衰减。为此，可以通过以下方式来改善该射频放大器的稳定性：
（1）放大器板上所有运放电源线及数字信号线均加磁珠和电容滤波。磁珠可滤除电流上的高频毛刺，电容滤除较低频率的干扰，它们配合在一起可较好地滤除电路上的串扰。安装时尽量靠近IC电源和地。
（2）在两个焊接板之间传递模拟信号时用同轴电缆，信号输入输出使用SMA-BNC接头，使传输阻抗匹配，并可减少空间电磁波对本电路的干扰，同时避免放大器自激。
（3）由于采用多级放大器级联的方式，为了减少高频自激和消振困难，在相邻的放大器之间加入电压跟随器作隔离；同时，为了消除内阻引起的寄生震荡，可在运放电源端就近接去耦电容。
（4）设计电路电压增益在通频带内波动较明显，通过对各级放大电路进行频率补偿，在电源端增加去耦0.1uF和100uF电容，电容电阻的引线部分要尽可能的短，并且采用屏蔽盒对系统进行多点屏蔽，可有效增加放大器的稳定性。
2.4增益调整的理论分析与计算
AD8367具有45dB增益可调，3dB带宽达到500MHz，片上集成有律方根检波器，可实现单片闭环AGC。片上带有可控制线性增益的高性能45dB可变增益放大器．并可在任意低频到500 MHz的频率范围内稳定工作。通过控制MODE引脚外接地端，选择GAIN DOWN工作模式，即增益随电压递减，满足公式Gain(dB)=45-50 Vgain。通过数字电位器控制5引脚GAIN端工作电压Vgain处于0~1V，则可控制单片增益调整范围-5~45dB。为实现0~60dB 范围可调，需采用两级AD8367级联，且由于放大器的三阶交调失真点是固定的，信号幅度越大，则失真的可能性就越大，所以采用其中一级作为固定增益放大级放在后面，前一级AD8367作为电压控制增益放大级。
3．电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1前置缓冲级、带宽预置
AD8005具有270M的增益带宽积，以此设计电压跟随器作为输入缓冲级具有避免引入噪声等作用，起到了良好的隔离功能；由具有高速、低噪声、高增益带宽特点的运放AD8021和OPA846构成的带通滤波器可分别满足0.3~20MHz和0.3~100MHz的带宽要求。并且通过单片机控制模拟开关CD4052在这两种带宽模式进行切换选择。图4为该部分原理图部分。
图4前置缓冲级、带宽预置原理图
3.1.2增益调整
采用两片AD8367级联作为增益放大级，当MODE接地时，增益随电压递减，其计算公式为：Gain(dB)=45—50 Vgain，该工作模式在AGC应用中是需要的，其中通过数字电位器X9C103控制Vgain。并且通过单片机反馈的峰值检测结果对已进行小倍数放大的信号进行再
次放大或衰减以实现Av在0~60dB范围内可调。图5为增益调整电路原理图。
图5 增益调整电路原理图
3.1.3峰值检波
本放大器系统的输入频率高，频带要求宽，而一般峰值检波电路的线性差，通频带窄，保持时间短，不便于精确测量。为此，我们采用由高精度采样保持器PKD01 构成峰值保持器，具有通频带宽、线性好、峰值保持精度高等优点，电路原理图如图6所示。
图6 PKD0l的峰值保持及时序控制电路
3.2程序设计
3.2.1系统程序框图
系统程序流程图如图5所示。
程序设计主要实现步进调整、带宽预置和增益放大的切换以及对通频带内平坦度进行反馈调整。AD转换电路对峰值检波后的输出信号进行采样，将结果送入单片机进行操作，实现对相应部分的反馈调整。
4.测试方案与测试结果
4.1测试条件与仪器
为测量50 的输入和输出阻抗，采用多功能数字万用表VC9205；为得到有效值≤1mV 的输入高频小信号，采用高频信号发生器AS1053；该系统最大通频带达到0.3~100MHz，为此我们选择双踪示波器SS-7810 100M。
4.2测试方案与测试结果完整性
（1）放大器电压增益测试
设置输入信号频率为500kHz,输入信号以信号峰峰值为单位。输出信号以示波器的输出电压峰峰值为标准，计算出交流增益，增益预置以倍数表示，括号中换算为dB，表1为主要测试数据。
（2）通频带内平坦度测试
放大器预置带宽20MHz，输入有效值为20mV，频率0.3~20MHz的电压信号，测试通频带内是否平坦。表2带宽20M时的通频带平坦度测试结果。同理，通过预置带宽100MHz，输入有效值为1mV，频率0.3~100MHz的电压信号来测试该通频带内的平坦度，表3为其测试结果。
由表2可得，放大器在1~15MHz 通频带内很平坦，最大起伏出现在10M 频率时，此时增益为20dB 88.1920
2
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=，起伏大小0.12dB dB 1≤；由表3可知放大器在1~80MHz 频带平坦，同理计算最大起伏为0.1dB ，增益起伏dB 1≤，所以均满足题目要求。
（3）最大输出电压正弦波有效值的测试。
在输入端V in 加入频率为600KHz 的正弦波，调节输入电压有效值（限制V in ≤1 mV ），测得输出最大不失真正弦波有效值V o =1.57V ，满足基本部分V o ≥200mV 和发挥部分V o ≥1V 的要求。
（4）输出噪声电压测量。
增益调到60dB 档，将输入端短路，测量输出电压峰-峰值。观测到输出端噪声电压的峰-峰值在25mV ~34mV 之间波动，可满足发挥部分要求的V ONPP ≤100mV 的要求。
4.3 测试结果分析
测试结果表明该系统完成了题目要求的所有基本部分，并实现了绝大多数发挥部分的性能指标。并且在硬件方面，通过加入缓冲级，使用BNC 接头，外部增加屏蔽壳等措施有效地抑制了高频信号对电路连接网络的影响，使系统的性能得到很大的改善。由于存在时间紧迫、对高频信号处理知识稍显不足等因素，一些发挥部分的指标未能完成，但是该系统仍然满足了赛题要的求的所有基本部分和绝大多数发挥部分功能指标。
参考文献
[1] 丁向荣.《STC系列增强型8051单片机》.电子工业出版社，2010年
[2] 童诗白，华成英.《模拟电子技术基础》.高等教育出版社，2006年
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[4] 黄根春，周立青，张望先.《全国大学生电子设计竞赛教程》.电子工业出版社，2011年
[5] 李涛，姚启涛，杨燕翔.《基于AD8367的大动态范围AGC系统设计》.电子设计工程，2010年，第18卷（1期）：第55~57页.
大功率线性射频放大器模块广泛应用于电子对抗、雷达、探测等重要的通讯系统中，其宽频带、大功率的产生技术是无线电子通讯系统中的一项非常关键的技术。随着现代无线通讯技术的发展，宽频带大功率技术、宽频带跳频、扩频技术对固态线性功率放大器设计提出了更高的要求，即射频功率放大器频率宽带化、输出功率更大化、整体设备模块化。 通常情况下，在HF~VHF频段设计的宽带射频功放，采用场效应管(FET)设计要比使用常规功率晶体管设计方便简单，正是基于场效应管输入阻抗比较高，且输入阻抗相对频率的变化不会有太大的偏差，易于阻抗匹配，另外偏置电路比较简单，设计的放大电路增益高，线性好。 本文的大功率宽频带线性射频放大器是利用(MOSFET)来设计的，采取AB类推挽式功率放大方式，其工作频段为O 6M～10MHz，输出的脉冲功率为1200W。经调试使用，放大器工作稳定，性能可靠。调试、试验和实用时使用的测试仪器有示渡器、频谱分析仪、功率汁、大功率同轴衰减器、网络分析仪和射频信号发生器。 1 脉冲功率放大器设计 1．1 电路设计 设计的宽频带大功率脉冲放大器模块要求工作频段大于4个倍频程，而且输出功率大，对谐波和杂波有较高的抑制能力；另外由于谐波是在工作频带内，因此要求放大器模块具有很高的线性度。 针对设计要求，设计中射频功率放大器放大链采用三级场效应管，全部选用MOSFET。每级放大均采用AB类功率放大模式，且均选用推挽式，以保证功率放大器模块可以宽带工作。考虑到供电电源通常使用正电压比较方便，因此选用增强型MOS场效应管。另外为了展宽频带和输出大功率，采用传输线宽带匹配技术和反馈电路，以达到设计要求。 由于本射频功率放大器输出要求为大功率脉冲式发射，因此要求第一、二级使用的MOSFET应具备快速开关切换，以保证脉冲调制信号的下降沿和上升沿完好，减少杂波和谐波的干扰。设计中第一、二级功率放大选用MOSFET为IRF510和IRF530。最后一级功放要求输出脉冲功率达到1200W，为避免使用功率合成技术，选用MOSPRT MRFl57作为最后的功率输出级。所设计的射频脉冲功率放大器电路原理图如图1所示。
射频宽带放大器设计报告 摘要：本系统以AD公司生产的高速可控增益运放AD8330为核心,结合固定增益放大、可变增益放大、末级差分电路等主要部分，能实现放大倍数0～50dB 增益可调。前级放大采用一片AD8330实现可变增益放大，固定增益放大采用OPA847芯片实现10倍的固定增益放大,再经末级1片电流反馈型运放THS3001扩流,构建末级差分驱动负载。 关键词：宽带放大器高速运放 OPA847 AD8330
一、方案论证与选择 1、方案选择与比较 1.1 固定增益放大器比较 方案一：采用OPA820运放芯片作为固定增益放大，该芯片是一种高速运算放大器，在6 Hz~ 20 MHz 的通频带中可实现放大增益为43 dB, 具有带内波动小, 输出噪声低的特点。但是缺点是通频带不够宽。 方案二：采用OPA695电压反馈型高速运算放大器,在1400MHz频率下能实现两倍放大，符合本题要求,但在高频下,该运放易产生自激。 方案三：采用OPA847, 电压反馈型高速运算放大器，最大频带宽度达 3.9GHz，完全满足本题频带要求，输入电压噪声低，带内波动小，自激现象 少。 综上所述，本设计采用方案三。 1.1.2 可变增益放大器比较 方案一：采用可编程程控放大器AD603。该运放增益在-11～+30dB范围内可调，通过改变管脚间的连接电阻值可调节增益范围，易于控制。但该运放增益可调带宽为90MHz，不满足题目要求。 方案二：采用高增益精度的压控VGA芯片AD8330。该芯片可控增益带宽可达150MHz，增益可调范围0~70dB,符合本题指标要求. 因此，该电路采用方案二。 1.1.3 电压增益可调方案比较 方案一：基于单片机做步进微调。由单片机MSP430G2553及12位DA转换芯片TLV5616对AD8330进行程控，实现增益在可取范围内可调。但是，此设计只能步进调节，不能连续可调，此方案不可取。 方案二：基于精密电位器做连续可调。用一个精密电位器对+5V分压后输入AD8330 5脚VDBS,从而对电压增益实现连续可调。电路简单，节省成本。 经比较，本设计选择方案二。 2、方案描述 总体框图如图1所示。
射频宽带放大器（D题） 摘要：本系统以可控增益放大器LMH6502为核心，外加宽带放大器OPA695的配合，实现了增益可调的射频宽带放大功能。系统主要由四个模块构成：前置固定放大电路模块、可控增益电路模块、后级固定放大电路模块和单片机控制显示模块。前置放大电路和后级放大电路以OPA695为核心器件，分别可提供约25.3dB 和23.5dB的固定增益；可控增益模块主要由LMH6502构成，可实现-50dB~20dB 的动态增益变化；单片机显示模块用于控制并显示可控增益电路模块的控制电压，使整个网络能够完成0~60dB的增益可调。本系统具有增益可调，频带宽，电路形式简单且调试方便的特点。经测试，系统完成了全部基本功能和部分发挥功能。 关键词：宽带放大器；可控增益；单片机控制；
一、系统方案： 1.1方案比较与选择： 方案一采用分立三极管或双栅场效应管，将每一级构成的可控放大器级联，分别对每一级增益进行控制。该方案灵活度相对较高，但电路稳定度低，不利于调节和控制。 图一方案一总体框图 方案二：用模拟开关构成电阻网络，由单片机控制以改变信号增益。这种方案存在的不足是模拟开关会导致导通电阻较大，信号会互相干扰，容易影响系统性能。而且电阻网络级数多，造成硬件电路复杂，且电阻网络的电阻选择也较为困难，很难做到高精度控制。 方案三：用多级固定增益的运算放大电路和电压增益控制运算放大器构成。集成可控增益放大器的增益与控制电压成严格线性关系，控制电压由单片机控制DAC 产生，精度高,可以满足题目指标要求，而且外围电路简单，便于调试，故采用此方案。 图二电路总体框图 1.2方案描述： 1.2.1总体框图：
实验四：射频功率放大器 【实验目的】 通过功率放大器实验，让学生了解功率放大器的基本结构，工作原理及其设计步骤，掌握功率放大器增益、输出功率、频率范围、线性度、效率和输入/输出端口驻波比等主要性能指标的测试方法，以此加深对以上各项性能指标的理解。 【实验环境】 1．实验分组：每组2~4人 2．实验设备：直流电源一台，频谱仪一台，矢量网络分析仪一台，功率计一只，10dB衰减器一个，万用表一只，功率放大器实验电路 板一套 【实验原理】 一、功率放大器简介 功率放大器总体可分成A、B、C、D、E、F六类。而这六个小类又可以归入不同的大类，这种大类的分类原则，大致有两种：一种是按照晶体管的导通情况分，另一种按晶体管的等效电路分。按照信号一周期内晶体管的导通情况，即按导通角大小，功率放大器可分A、B、C三类。在信号的一周期内管子均导通，导θ（在信号周期一周内，导通角度的一半定义为导通角θ），称为A 通角? =180 θ。导通时间小于一半周期的类。一周期内只有一半导通的成为B类，即? =90 θ。如果按照晶体管的等效电路分，则A、B、C属于一大称为C类，此时? <90 类，它们的特点是：输入均为正弦波，晶体管都等效为一个受控电流源。而D、E、F属于另一类功放，它们的导通角都近似等于? 90，均属于高功率的非线性放大器。 二、功率放大器的技术要求 功率放大器用于通信发射机的最前端，常与天线或双工器相接。它的技术要求为： 1. 效率越高越好 2. 线性度越高越好 3. 足够高的增益
4. 足够高的输出功率 5. 足够大的动态范围 6. 良好的匹配（与前接天线或开关器） 三、功率放大器的主要性能指标 1.工作频率 2.输出功率 3.效率 4.杂散输出与噪声 5.线性度 6.隔离度 四、功率放大器的设计步骤 1.依据应用要求（功率、频率、带宽、增益、功耗等），选择合适的晶体管 2.确定功率放大器的电路和类型 3.确定放大器的直流工作点和设计偏置电路 4.确定最大功率输出阻抗 5.将最大输出阻抗匹配到负载阻抗（输出匹配网络） 6.确定放大器输入阻抗 7.将放大器输入阻抗匹配到实际的源阻抗（输入匹配网络） 8.仿真功率放大器的性能和优化 9.电路制作与性能测试 10.性能测量与标定 五、本实验所用功率放大器的简要设计过程 1. PA 2. 晶体管的选择 本实验所选用的晶体管为安捷伦公司的ATF54143_PHEMT，这种晶体管适合用来设计功率放大器。单管在～处能达到的最大资用增益大于18dB，而1dB压缩点高于21dB。
一种增益可控的射频宽带放大器设计 射频宽带放大器是各类电子仪器与仪表里很常用、很重要的一个單元电路。为此，论述了一款增益可控的射频宽带放大器的设计选型的过程，给出了参数的计算过程和选型是要考虑的技术指标和功能。因此结论对模拟放大电路的设计具有一定的参考价值。 标签：射频；宽带放大器；参数计算；选型要求 doi：10.19311/https://www.doczj.com/doc/1115511796.html,ki.16723198.2017.09.088 1理论计算 1.1设计要求 根据用户对高频、大信号的放大要求，课题研究小组进过分析和研究，得出下列的具体设计参数： （1）被设计的放大器的电压增益A V≥52dB，增益可控52dB，输入信号电压的有效值Vi≤5mV，其输入阻抗、输出阻抗均为50欧姆，负载电阻50欧姆，且输出电压有效值V o≥2V，波形无明显失真； （2）在50MHz～160MHz频率范围内增益波动不大于2dB； （3）-3dB的通频带不窄于40MHz～200MHz，即fL≤40MHz和fH≥200MHz； （4）电压增益A V≥52dB，当输入信号频率f≤20MHz或输入信号频率f≥270MHz时，实测电压增益A V均不大于20dB； （5）放大器采用+12V单电源供电，所需其它电源电压自行转换。 通过对上述设计要求的分析可知，此课题对宽带放大器的参数选型提出了很高的要求，诸如：压摆率、增益带宽积、最大输出功率、高频高输出摆幅等都要进行严格的计算。只有做到科学计算，才能为正确的集成放大器选型打下坚实的基础，为后续设计提供科学保障。 1.2放大器的参数计算 （1）最小增益需要达到52dB（400倍），带宽200MHz，系统增益带宽积高达8*109MHz（*此处应注意多级放大和增益分配*）； （2）输入电压有效值最大5mv，需要做小信号低噪声放大；
电子系统设计 方案设计：增益可调的宽带放大器 团队成员： 指导教师： 提交时间：2015年12月11日
增益可调的宽带放大器 摘要：本设计以增益调整、带宽预置、单片机反馈调节为核心，制作一个射频宽带放大 器，要求具有0.3~100MHz 通频带，增益0~60dB 范围内可调，并且实现输入输出阻抗、最大输出正弦波有效值、指定频带内平坦度等功能指标要求。由于系统输入信号小，频率高，带宽要求大，可控增益范围宽，并且需要满足平坦度、输出噪声电压等指标。为此，采用高增益带宽运放组成频带预置、AD8367的压控增益放大系统完成增益调整、单片机实现反馈调节。除此之外，通过增加缓冲级、外加硬件保护措施有效地抑制了高频信号的噪声和自激振荡。经测试，系统对mV 1≤的输入信号实现了增益0~60dB 范围内可调，带宽0.3~100MHz ，并在1~80MHz 频带内增益起伏dB 1≤，且全程波形无明显失真。完成了题目所要求的所有基本要求以及绝大部分发挥部分的性能指标。
1.系统方案设计与论证 1.1总体方案设计与论证 分析该射频宽带放大器设计的指标，为达到题目所设定带宽与增益可调，并且能够满足在输入和输出阻抗=50Ω的情况下，最大输出正弦波电压有效值达到要求的目的，我们将整个系统分为前置缓冲级、带宽预置、增益调整、输出缓冲级、峰值检波等部分组成，主控器采用STC12系列单片机。系统整体框图如图1所示： 图1 系统框图 1.2前置缓冲级的方案论证与选择 前置缓冲电路使用电压跟随器实现，如图2所示。考虑到本系统的通频带为0.3~100MHz，且输入阻抗限定为50Ω，由正相输入电压跟随器的输入阻抗为Rj趋于无穷大，所以图2电 路的输入阻抗为 k k k k R R R R R R R R≈ + * = = j j j n i // 。则可令实际电路取Rk=50Ω以达到输入阻抗要求。 除此之外，此前置放大电路还具有缓冲、避免引入噪声等作用，起到了良好的隔离功能。其电压增益接近于1，运算放大器选用AD8005，此放大器的增益带宽积达到270MHz。 图2 前置缓冲级
?阻抗变换器和阻抗匹配网络已经成为射频电路以及最大功率传输系统中的基本部件。为了使宽带射频功率放大器的输入、输出达到最佳的功率匹配，匹配电路的设计成为射频功率放大器的重要任务。要实现宽带内的最大功率传输，匹配电路设计非常困难。本文设计的同轴变换器电路就能实现高效率的电路匹配。同轴变换器具有功率容量大、频带宽和屏蔽好的特性，广泛应用于VHF/UHF波段。常见的同轴变换器有1:4和1:9阻抗变换，如图1所示。但是实际应用中，线阻抗与负载不匹配时，它们的阻抗变换不再简单看作1:4或1:9.本文通过建立模型，提出一种简化分析方法。 1 同轴变换器模型 同轴变换器有三个重要参数：阻抗变换比、特征阻抗和电长度。这里用电长度是为了分析方便。当同轴线的介质和长度一定时，电长度就是频率的函数，可以不必考虑频率。 1.1理想模型 理想的1:4变换器的输入、输出阻抗都匹配，每根同轴线的输入、输出阻抗等于其特征阻抗Z0，其等效模型如图2所示。
其源阻抗Zg与ZL负载阻抗变换比为： 图2和公式（1）表明：变换器的阻抗变换比等于输入阻抗与输出阻抗之比。 同轴变换器的输入阻抗等于同轴线的输入阻抗并联，输出阻抗等于同轴线的输出阻抗串联。 1.2通用模型 由于特征阻抗是实数，而源阻抗与负载阻抗一般都是复数，所以，就不能简单的用变换比来计算。阻抗匹配就是输入阻抗等于源阻抗的共轭，实现功率的最大传输。特征阻抗为Z0，电长度为E的无耗同轴线接复阻抗的电路如图3所示。 由于源阻抗与同轴线特征不匹配，电路的反射系数就不是负载反射系数。 由于同轴线是无耗的，进入同轴线的功率就等于负载消耗的功率。那就可以把电路简化只有一个负载Zin，又因为Zg与Zin都是复数且串联，就可以把Zg中的虚部等效到Zin中，最后得到反射系数为： 其中：
射频功率放大器宽带匹配如何解决 在很多远程通信、雷达或测试系统中，要求发射机功放工作在非常宽的频率范围。例如，工作于多个倍频程甚至于几十个倍频程。这就需要对射频功放进行宽带匹配设计，宽带功放具有一些显著的优点，它不需要调谐谐振电路，可实现快速频率捷变或发射宽的多模信号频谱。宽带匹配是宽带阻抗匹配的简称，是宽带射频功放以及最大功率传输系统的主要电路，宽带匹配的作用是，使射频功率放大管的输入、输出达到最佳的阻抗匹配，实现宽带内的最大功率放大传输。因此，宽带阻抗匹配网络的设计是宽带射频功放设计的主要任务。同轴电缆阻抗变换器简称同轴变换器，能实现有效的宽带匹配，可以为射频功率放大管提供宽频带工作的条件。同轴变换器具有功率容量大、频带宽和屏蔽性能好的特性，可广泛应用于HF/VHF/UHF波段。 1方案设计 同轴变换器及其组合是一种具有高阻抗变换比的宽带阻抗匹配网络，它能将射频功率放大管的较低的输入阻抗或输出阻抗有效匹配到系统的标准阻抗50 Ω。同轴变换器设计方案多选用1:1变比形式、1:4变比形式及其组合形式。 1.1 同轴变换器原理 同轴变换器是由套上铁氧体磁芯的一段同轴电缆或同轴电缆绕在铁氧体磁芯上构成，一般称为“巴伦”。“巴伦”的结构如图1(a)所示，其等效电路如图1(b)所示。
同轴变换器处于集中参数与分布参数之问。因此，在低频端，它的等效电路可用传统的低频变压器特性描述，而在较高频率时，它是特性阻抗为Zo的传输线。同轴变换器的优点在于寄生的匝间电容决定了它的特性阻抗，而在传统的离散的绕匝变压器中，寄生电容对频率性能的贡献是负面作用。 当Rs=RL= Zo时，“巴伦”可以认为是1:1的阻抗变换器。同轴变换器在设计使用上有两点必须注意:源阻抗、负载阻抗和传输线阻抗的匹配关系;输入端和输出端应在规定的连接及接地方式下应用。在大多数情况下，电缆长度不能超过最小波长的八分之一。为了保证低频响应良好，还必须有一定绕组长度，可以依据下列经验公式来估算在频率高端和频率低端时所需绕组的长度。 在高频端: lmax≤ 18 O00n/fh(cm) (1) (1)式中，fh为最高工作频率(MHz);n为常数，一般取为0.08左右。 在低频端: lmin≥ 50Rl / [ (1 u/uo ) × fl ] (2) (2)式中，fl为最低工作频率(MHz);u/uo为磁芯在时的相对磁导率。 磁芯的影响可以用等效电感来反应，等效电感决定了频段低段反射量的大小，计算为: L=uo ur n2 (S/J) (3)
射频功率放大器实时检测的实现 广播电视发射机是一个综合的电子系统，它不仅包括无线发射视音频通道，而且还包括通道的检测和自动控制电路，因此在设计时，它除了必须保证无线通道的技术指标处于正常范围外，还必须设计先进的取样检测和保护报警等电路，以确保发射机工作正常，从而实现发射机在线自动监测和控制。近年来，随着大功率全固态电视发射机多路功率合成技术的发展，越来越多的厂家采用模块化结构设计，因此单个功率放大器模块是整个发射机的基本测单元，本文就着重讨论单个模块的检测和控制电路，从而实现发射机在线状态自动监测。 一、工作原理 在功放模块中，主要检测和控制参数为电源电压，各放大管的工作电流，输出功率，反射功率，过温度和过激励保护等，图1为实现上述检测控制功能的方框图，它由取样放大电路，V/F变换，隔离电路，F/V变换，A/D转换，AT89C51，显示电路和输出保护电路等组成。 1、隔离电路 在功放模块中，由于大功率器件的应用，往往单个模块的输出功率都比较大，因而对小信号存在较大的高频干扰，如处理不好，就会影响后级模数转换电路工作，从而导致检测数据不准确，显示数据跳动的现象，甚至出现误动作。这里采用光电耦合器进行隔离，由于光电耦合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强、无触点且输入与输出在电气上完全隔离等特点，从而将模拟电路和数字电路完全隔离，保障系统在高电压、大功率辐射环境下安全可靠地工作。 2、LM331频率电压转换器
V/F变换和F/V变换采用集成块LM331，LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器用。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。同时它动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01％，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。 图2是由LM331组成的电压频率变换电路，LM331内部由输入比较器、定时比较器、R－S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。 当输入端Vi＋输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使R－S触发器置位，输出高电平，输出驱动管导通，输出端f0为逻辑低电平，同时电源Vcc也通过电阻R2对电容C2充电。当电容C2两端充电电压大于Vcc的2/3时，定时比较器输出一高电平，使R－S触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端f0为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容C2通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容C3对电阻R3放电。当电容C3放电电压等于输入电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使R－S触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比，从而实现了电压－频率变换。其输入电压和输出频率的关系为：fo=(Vin×R4)/(2.09×R3×R2×C2) 由式知电阻R2、R3、R4、和C2直接影响转换结果f0，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。 同样，由LM331也可构成频率－电压转换电路。
D 题增益可控射频放大器 电子科技大学 作者：谭文张育铭易嗣为
摘要 本系统由电流反馈型运算放大器AD8009,程控衰减器HMC307构建而成。系统前级通过级联四片AD8009实现46dB固定增益放大，由前级衰减器和中间级衰减器实现4dB～66dB总动态增益范围，后级由RF3827做功率级保证输出有效值2V 以上且波形不失真。系统各部分采用屏蔽盒进行电磁屏蔽，各个模块独立线性稳压电源供电，提高稳定性和抗干扰能力。经测试，本系统达到了题目的所有要求。 关键词：射频宽带放大器、HMC307、AD8009 Abstract This system consists of current feedback amplifier AD8009 and digital attenuator HMC307.The primary System achieve 46dB fixed gain by cascading 4 AD8009 and achieve 4dB~66dB gain dynamic rang with two digital attenuatores. To reach 2Vrms output without distortion，we use RF3827 as final amplifier . All parts of system are warped up by shielding box protected from EMI.Every module are supplyed by separate LDO to enhance system’s stability and anti-jamming capability.This system pass text andmeet all request of subject
1.1 研究背景 随着人类社会进入信息化时代，无线通信技术有了飞速的发展，从手机，无线局域网，蓝牙等，到航空航天宇宙探测，已经深入到当今社会生活的各个方面，成为社会生活和发展不可或缺的一部分。无线通信设备由最初体积庞大且功能单一的时代，发展到如今的口袋尺寸，方寸之间集成了各类功能强大的电路。这些翻天覆地的变化，都离不开射频与微波技术的支持。而急速增长的应用需求又促使着射频微波领域不断的研究，更新换代。快速的发展使得射频微波领域的研究进入了白热化阶段，而在几乎所有的射频与微波系统中，都离不开信号的放大，射频与微波功率放大器作为系统中功耗最大，产生非线性最强的模块，它的性能将直接影响系统性能的优劣，由于其在射频微波系统中的突出位置，功率放大器的研究也成为射频微波领域研究的一个十分重要的方向[1]。 功率放大器作为射频微波系统中最重要的有源模块，其理论方面已经十分成熟。 A 类、 B 类、 C 类、 D 类、AB 类、E/I E 类、F/I F 类、Doherty等各类功率放大器也已经成功应用到各个领域。 1.2射频功率放大器的发展现状 射频功率放大器的核心器件为其功率元器件——晶体管，它是一种非线性三端口有源半导体器件，它的放大作用，并不是晶体管能凭空产生能量，使能量放大，而是完全由集电极(BJT)或漏极(FET)电源的直流功率转换而来的。晶体管只是起到了一种控制作用，即用比较小的信号去控制直流电源产生随小信号变化的大信号，从而把电源的直流功率转换成为负载上的信号功率。功率放大器的理论知识发展已经十分完善，其面临的更多是一些工程的问题。所以，射频功率放大器性能的提升主要来自于晶体管性能的提升，即半导体技术的发展，和放大器本身电路形式的改进。根据晶体管所用的半导体材料的不同，可以大体将其分为三个不同的发展阶段。第一代半导体材料以硅(Si)和锗( Ge)等元素半导体为主。第二代半导体材料以砷化镓(GaAs)、磷化铟( InP)、锗硅(SiGe)等化合物半导体为代表，相比于第一代半导体材料，其禁带更宽、 1
射频宽带放大器 摘要：本系统采用宽带电压反馈运放OPA690、压控增益放大器VCA810以及宽带电流反馈放大器THS3001结合的方式，实现了增益可调的射频宽带放大器。系统主要由四个模块构成：前置放大电路、压控增益放大电路、后级放大电路、单片机显示控制模块。压控增益放大电路以VCA810为核心，实现60dB的可调节围；使用THS3001等运放进行电压放大使最大有效值达到1V；整个电路波形稳定、无明显失真，噪声电压小,通频带增益平坦，较好得完成了基本部分和发挥部分的要求。 关键词：射频放大、宽带放大、压控增益、单片机控制
Abstract Adopting a combination of wideband voltage-feedback amplifier OPA690, voltage-controlled gain amplifier-VCA810, wideband current-feedback amplifier THS3001, the system can achieve a RF（RF-Radio frequency）broadband amplifier with adjustable gain. The system is consisted of four blocks: pre-amplifier circuit, voltage-controlled gain amplifier circuit, the latter amplifier circuit, MCU display control module. With a
基于ADS的射频功率放大器仿真设计 1.引言 各种无线通信系统的发展，如GSM、WCDMA、TD-SCDMA、WiMAX和Wi-Fi，大大加速了半导体器件和射频功放的研究过程。射频功放在无线通信系统中起着至关重要的作用，它的设计好坏影响着整个系统的性能。因此，无线通信系统需要设计性能优良的放大器。而且，为了适应无线系统的快速发展，产品开发的周期也是一个重要因素。另外，在各种无线系统中由于采用了不同调制类型和多载波信号，射频工程师为减小功放的非线性失真，尤其是设计无线基站应用的高功率放大器时面临着巨大的挑战。采用Agilent ADS 软件进行电路设计可以掌握设计电路的性能，进一步优化设计参数，同时达到加速产品开发进程的目的。功放（PA）在整个无线通信系统中是非常重要的一环，因为它的输出功率决定了通信距离的长短，其效率决定了电池的消耗程度及使用时间。 2.功率放大器基础 2.1功率放大器的种类 根据输入与输出信号间的大小比例关系，功放可以分为线性放大器与非线性放大器两种。输入线性放大器的有A、B、AB类；属于非线性放大器的则有C、E 等类型的放大器。 （1）A类：其功率器件再输入信号的全部周期类均导通，但效率非常低，理想状态下效率仅为50%。 （2）B类：导通角仅为180°，效率在理想状态下可达到78%。 （3）AB类：导通角大于180°但远小于360°。效率介于30%~60%之间。 （4）C类：导通角小于180°，其输出波形为周期性脉冲。理论上，效率可达100%。 （5）D、E类：其原理是将功率器件当作开关使用。 设计功放电路前必须先考虑系统规格要求的重点，再来选择电路构架。对于射频功放，有的系统需要高效率的功放，有些需要高功率且线性度佳的功放，有些需要较宽的操作频带等，然而这些系统需求往往是相互抵触的。例如，B、C、E类构架的功率放大器皆可达到比较高的效率，但信号的失真却较为严重；而A
2013年全国大学生电子设计竞赛 射频宽带放大器（D题） 【本科组】 2013年9月7日
摘要 本系统以程控增益调整放大器AD603为核心，外加宽带放大器OPA690的配合，实现了高增益可调的射频宽带放大器。系统主要由六个模块构成：前置放大电路、一阶RC 高通滤波电路、可控增益放大电路、输出缓冲电路、直流稳压电源以及单片机显示控制模块。系统通过第一级OPA690两级级联电路放大20dB，再通过单片机程控两级级联的AD603实现-20～60dB的动态增益变化，从而满足电压增益Av在0～60dB范围内可调的要求。整个系统放大器可放大1mV有效值信号，增益可达80dB，通频带内增益起伏1dB,放大器在Av=60dB的时候，输出噪声电压峰-峰值为80mV，通过单片机控制可实现电压增益Av可预置并显示的功能。整个系统工作可靠、稳定，且成本低。 关键词：射频宽带放大；可控增益；AD603
目录 1系统方案论证 (1) 1.1方案比较与选择 (1) 1.1.1前置放大电路 (1) 1.1.2可控增益放大电路 (1) 1.1.3直流稳压电源 (2) 1.2方案描述 (2) 2理论分析与计算 (3) 2.1宽带放大器设计 (3) 2.2频带内增益起伏控制 (3) 2.3射频放大器稳定性 (3) 2.4增益调整 (3) 3电路与程序设计 (4) 3.1电路的设计 (4) 3.1.1前置放大电路 (4) 3.1.2可控增益放大电路 (4) 3.1.3输出缓冲电路 (5) 3.1.4自制直流稳压电源模块 (5) 3.2程序的设计 (5) 3.2.1程序功能描述与设计思路 (5) 3.2.2程序流程图 (6) 4测试方案与测试结果 (7) 4.1测试仪器 (7) 4.2放大器增益测试 (7) 4.3最大输出有效值测试 (8) 4.4通频带内增益起伏测试 (8) 4.5放大器噪声电压测试 (8) 4.6输入电阻与负载电阻阻值测试 (8) 附录1：源程序 (9)
瑞萨杯2013全国大学生电子 设计竞赛 射 频 宽 带 放 大 器
摘要 本设计以低噪声、低功耗、的THS3001和增益可变放大器AD8330运算放大器为主控器件，放大器分别由前级放大、二级增益控制和稳压直流电源等模块。论文根据放大器系统的特点，结合相关的电路设计理论，设计出了几本符合要求的放大器，系统整体提高电压增益，使电压增益大于dB A V 20≥，放大器dB 3-BW 的下限截止频率≤L f 0.3Z MH ,上限截至频率≥H f 20Z MH ，并要求在1Z MH ~15Z MH 频带内增益起伏dB 1≤。 关键字：THS3001 AD8330 电压增益 截止频率 增益起伏
设计报告 一、总体方案的选取及确定 1.1 系统方案的确定 题目中要求电压增益大于dB A V 20≥，放大器dB 3-BW 的下限截止频率 ≤L f 0.3Z MH ,上限截至频率≥H f 20Z MH ，并要求在1Z MH ~15Z MH 频带内增益 起伏dB 1≤。我们从网上查到THS3001的单位增益宽带为420Z MH ，而且它的0.1dB 的平坦宽带为115Z MH ，因此我们首先采用THS3001来作为首级的电压增益，但是发挥部分要求dB A V 60≥，因此电压增益还需扩大，从手册中查到AD8330是一款DC 至150Z MH 的宽带可变增益放大器，适合要求完全低噪声、精确定义增益和适度低失真的应用，因此我们在第二级增益可控部分采用AD8330作为主控元件来控制电压放大的倍数，最后可直接驱动50欧姆的负载。系统方案框图见图1.1。 输入 输出 图 1.1 系统方案框图 1.2 各级电路方案的确定 1. 2.1 前置放大电路部分 方案一：采用场效应管或三极管设计增益放大电路，主要利用场效应管的可变电阻区或三极管的放大区可实现电压增益放大，但是本方案采用了大量的分立元件，电路复杂，在设计本放大器的高频功率条件下，可能会造成电路的稳定性很差，而且很容易受外界噪声等的因素影响，因此未选此方案。 方案二：根据题目要求，电压增益大于dB A V 20≥，放大器dB 3-BW 的下限截止频率≤L f 0.3Z MH ,上限截至频率≥H f 20Z MH ，我们查到THS3001的单位增益宽带为420Z MH ，而且它的0.1dB 的平坦宽带为115Z MH ，非常符合我们题中的要求，因此我们采用此方案来实现第一级放大电路的增益控制。 1.2.2 电压增益控制设计方案 经过前一级的放大，电压增益达不到题目的要求。只要信号和干扰比在设定的范围内，则可以实现在电压增益控制的同时保证输出信号的信噪比满足题目要求，我们查到AD8330具有特性完全差分信号通路，也可使用单端信号，线性dB 和线性幅度增益模式、低噪声、低失真等特点，可以作为该部分的主控元件。因此我们采用次方案来实现电压的增益控制。 前置增益放大电路 （THS3001） 二级增益可控 电路 （AD8330）
基本概念 射频功率放大器(RF PA)是发射系统中的主要部分，其重要性不言而喻。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大（缓冲级、中间放大级、末级功率放大级）获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。在调制器产生射频信号后，射频已调信号就由RF PA将它放大到足够功率，经匹配网络，再由天线发射出去。 放大器的功能，即将输入的内容加以放大并输出。输入和输出的内容，我们称之为“信号”，往往表示为电压或功率。对于放大器这样一个“系统”来说，它的“贡献”就是将其所“吸收”的东西提升一定的水平，并向外界“输出”。如果放大器能够有好的性能，那么它就可以贡献更多，这才体现出它自身的“价值”。如果放大器存在着一定的问题，那么在开始工作或者工作了一段时间之后，不但不能再提供任何“贡献”，反而有可能出现一些不期然的“震荡”，这种“震荡”对于外界还是放大器自身，都是灾难性的。 射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率，如何提高输出功率和效率,是射频功率放大器设计目标的核心。通常在射频功率放大器中，可以用LC谐振回路选出基频或某次谐波，实现不失真放大。除此之外，输出中的谐波分量还应该尽可能地小，以避免对其他频道产生干扰。 分类 根据工作状态的不同，功率放大器分类如下： 传统线性功率放大器的工作频率很高，但相对频带较窄，射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲（A）、乙（B）、丙（C）三类工作状态。甲类放大器电流的导通角为360°，适用于小信号低功率放大，乙类放大器电流的导通角等于180°，丙类放大器电流的导通角则小于180°。乙类和丙类都适用于大功率工作状态，丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。 开关型功率放大器（Switching Mode PA,SMPA)，使电子器件工作于开关状态，常见的有丁（D）类放大器和戊（E）类放大器，丁类放大器的效率高于丙类放大器。SMPA将有源晶体管驱动为开关模式，晶体管的工作状态要么是开，要么是关，其电压和电流的时域波形不存在交叠现象，所以是直流功耗为零，理想的效率能达到100%。 传统线性功率放大器具有较高的增益和线性度但效率低，而开关型功率放大器具有很高的效率和高输出功率，但线性度差。具体见下表： 电路组成 放大器有不同类型，简化之，放大器的电路可以由以下几个部分组成：晶体管、偏置及稳定电路、输入输出匹配电路。
全国电子设计大赛
射频宽带放大器（D题） 摘要 本设计以增益调整、带宽预置、单片机反馈调节为核心，制作一个射频宽带放大器，要求具有0.3~100MHz通频带，增益0~60dB范围内可调，并且实现输入输出阻抗、最大输出正弦波有效值、指定频带内平坦度等功能指标要求。由于系统输入信号小，频率高，带宽要求大，可控增益范围宽，并且需要满足平坦度、输出噪声电压等指标。为此，采用高增益带宽运放组成频带预置、AD8367的压控增益放大系统完成增益调整、单片机实现反馈调节。除此之外，通过增加缓冲级、外加硬件保护措施有效地抑制了高频信号的噪声和自激振荡。经测试，系统对mV ≤的输入信号实现了增益0~60dB范围内可调，带宽0.3~100MHz，并在1 1~80MHz频带内增益起伏dB 1 ≤，且全程波形无明显失真。完成了题目所要求的所有基本要求以及绝大部分发挥部分的性能指标。 关键字：带宽预置AD8367压控增益单片机
1. 系统方案设计与论证 1.1总体方案设计与论证 分析该射频宽带放大器设计的指标，为达到题目所设定带宽与增益可调，并且能够满足在输入和输出阻抗=50Ω的情况下，最大输出正弦波电压有效值达到要求的目的，我们将整个系统分为前置缓冲级、带宽预置、增益调整、输出缓冲级、峰值检波等部分组成，主控器采用STC12系列单片机。系统整体框图如图1所示： 图1 系统框图 1.2前置缓冲级的方案论证与选择 前置缓冲电路使用电压跟随器实现， 如图2所示。考虑到本系统的通频带为 0.3~100MHz ，且输入阻抗限定为50Ω，由 正相输入电压跟随器的输入阻抗为R j 趋 于无穷大，所以图2电路的输入阻抗为 k k k k R R R R R R R R ≈+*==j j j n i //。则可令实际 电路取R k =50Ω以达到输入阻抗要求。除 此之外，此前置放大电路还具有缓冲、避 图2 前置缓冲级 免引入噪声等作用，起到了良好的隔离功能。其电压增益接近于1，运算放大器选用AD8005，此放大器的增益带宽积达到270MHz 。 1.3带宽预置的方案论证与选择 方案一：通过对继电器L 1和L 2触点的控制实现系统通频带0.3~20MHz 和
射频功率放大器是各种无线发射机的主要组成部分。在发射机的前级电路中,调制振荡电路所产生的射频信号功率很小,需要经过一系列的放大如缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。 射频功率放大器电路设计需要对输出功率、激励电平、功耗、失真、效率、尺寸和重量等问题进行综合考虑。 射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率，是研究射频功率放大器的关键。而对功率晶体管的要求，主要是考虑击穿电压、最大集电极电流和最大管耗等参数。 为了实现有效的能量传输，天线和放大器之间需要采用阻抗匹配网络。 3.1.1输出功率 在发射系统中，射频末级功率放大器输出功率的范围可小到毫瓦级（便携式移动通信设备）、大至数千瓦级（发射广播电台）。 为了要实现大功率输出，末级功率放大器的前级放大器单路必须要有足够高的激励功率电平。显然大功率发射系统中，往往由二到三级甚至由四级以上功率放大器组成射频功率放大器，而各级的工作状态也往往不同。 根据对工作频率、输出功率、用途等的不同要求，可以用晶体管、FET 、射频功率集成电路或电子管作为射频功率放大器。 在射频功率方面，目前无论是在输出功率或在最高工作频率方面，电子管仍然占优势。现在已有单管输出功率达2000kW 的巨型电子管，千瓦级以上的发射机大多数还是采用电子管。 当然，晶体管、FET 也在射频大功率方面不断取得新的突破。例如，目前单管的功率输出已超过100W ，若采用功率合成技术，输出功率可以达到3000W 。 3.1.2效率 效率是射频功率放大器极为重要的指标，特别是对于移动通信设备。定义功率放大器的效率，通常采用集电极效率?c 和功率增加效率PAE 两种方法。 1. 集电极效率?c 集电极效率?c 定义为输出功率P out 与电源供给功率P dc 之比，即 dc out p P =c η （3.1.1） 2.功率增加效率（PAE ，power added efficiency ） 功率增加效率定义为输出功率P out 与输入功率P in 的差于电源供给功率P dc 之比，即 c p dc in out PAE A P P P PAE ηη)11(-=-== （3.1.2） 功率增加效率PAE 的定义中包含了功率增益的因素，当有比较大的功率增益。 如何提高输出功率和保证高的效率，是射频功率放大器设计目标的核心。 3.1.3线性 ? 衡量射频功率放大器线性度的指标有三阶互调截点（IP3）、1dB 压缩点、谐波、邻道功率比等。邻道功率比衡量由放大器的非线性引起的频谱再生对邻道的干扰程度。 ? 由于非线性放大器的效率高于现行放大器的效率，射频功率放大器通常采用非线性放大器。但是分线性放大器在放大输入信号的放大的同时会产生一系列的有害影响。 ? 从频谱的角度看，由于非线性的作用，输出信号中会产生新的频率分量，如三阶互调分 量、五阶互调分量等，它干扰了有用信号并使被放大的信号频谱发生变化，即频带展宽了。
2013年全国大学生电子设计大赛 2013年全国大学生电子设计大赛论文 【本科组】 射频宽带放大器系统设计报告 2013年9月7日
射频宽带放大器 摘要：本系统基于压控对数放大器设计，由前级放大模块，增益控制模块，（带宽预置），后级功率放大模块，键盘及显示模块组成。具有射频宽带数字程控功能。在前级放大中，用电压反馈型放大器OPA657,OPA2694和宽带压控放大器VCA820放大输入信号，输出放大一定倍数的电压，经后级OPA2694的放大电路达到大于1V的有效值输出，其中电流反馈型放大器OPA657的输入偏置电流比较小，对后级电路的调理起到简化作用，VCA820的使用方便了增益控制，可以手动和程控。经验证，本方案完成了全部基本功能和扩展功能。 关键词：压控对数放大器电压反馈放大器射频宽带放大 一、系统方案论证 1.可控增益放大器的方案论证 方案一：采用场效应管或三极管控制增益。主要利用场效应管可变电阻区（或三极管等效为压控电阻）实现增益控制，由于题目要求的频带较高。该方案采用大量分立元件，电路复杂，稳定性差。 方案二：采用多路选择器来来改变放大器跨接的电阻的值实现增益控制。该方案需求每一级放大器都要加多路选择器，不能实现连续调节，影响高频的频率特性，容易引起放大器的自激。 方案三：根据题目对放大电路增益可控的要求，考虑直接选取可调增益的运放实现（如VCA820）。其特点是以db为单位进行调节，可控增益±20dB,可以用单片机方便的预制增益。 综合比较，基于电路集成度高，条理清晰，控制方便，易于数字化单片机处理的考虑，选择方案三。 2.射频宽带放大器选择的方案论证 方案一：采用电压反馈放大器OPA846、OPA847、OPA657等电压放大器，该系列的运算放大器的增益带宽积很高，但该系列的去补偿的电压反馈放大器由于寄生电容过大会引起放大器的震荡，而手工焊接的板子不能够保证寄生电容很小，难于调试，用PCB电路板有益于电路调试。 方案二：采用电流反馈放大器OPA691，OPA2694，特别是OPA2694的电压压摆率高达4300V/us，在增益和大信号的调理中表现更好的带宽和失真度，但是输入失调电流比较高，题目要求的1db增益起伏难以实现。 综合比较，基于带宽和失真度的考虑，选择方案一中低失调电流的OPA657。 二、理论分析与计算 1.放大器带宽增益积 （1）电压反馈型（VFB）运算放大器的增益和带宽存在一定的关系：从对应的波特图上可以看出，从直流到由反馈环路的主极点决定的截止频率Fc之间，增益是恒定不变的，在该频率以上，如果频率升高一倍，增益就会减半。运算放大器的-3dB带宽就是Fc，增益越高，带宽越窄，带宽增益积BW·u A =常数，