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      OPA2995+THS3201增益可控射频放大器论文设计论文

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      楼主
      巽风 发表于 2018-9-3 20:51 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
      增益可控射频放大器设计
      摘要
      本作品由德州仪器公司所生产的OPA847VCA821OPA2596THS3201为主要器件设计并制作了0~52dB全增益范围内-3dB通频带为60MHz-130MHz放大器输入输出阻抗均为50欧姆在输出端接50欧负载时频带在50MHz-160MHz范围内最大不失真有效值为2V75-108MHz带内波动不大于2dB.实测结果表明该作品成功实现题目要求的功能多项指标优于题目要求

      Abstract:
      This radiofrequency broadband amplifier is designed based on Texas Instruments (TI) amplifiers OPA847,VCA821,OPA2596 and THS3201 which has a programmable gain over 0~52dB with a -3dB bandwidth of 60MHz to 130MHz, and a 3dB bandwidth of over 200MHz, having an input and output impendence designed to be 50 ohms. The maximum output voltage without distortion is 2Vrms with a 50 ohm load and within 1dB bandwidth. The maximum gain is over 52dB with an in-band gain error less than 2dB.Measurements suggested that our device has reached all requirement of the subject, and some indexes even surpass the criteria the competition demands.

      1系统构成与各子模块方案
      1.1 前级放大模块方案的论证与选择
      方案一使用OPA657作为第一级放大该芯片有1.6GHz的增益带宽积但是输入噪声电压为4.8nV/Hz
      方案二使用OPA687做第一级放大它具有?#32454;?#30340;13.8GHz的增益带宽积0.95nV/Hz的输入电压噪声,900V/us的压摆率
      方案三使用OPA847作为第一级放大它具有超高的3.9GHz的增益带宽积0.85nV/Hz的输入噪声电压950V/us的压摆率
      经?#23548;?#23545;比我们发现为了满足题目提出的低噪声要求从第一级开始就需要抑制噪声所以因选用低输入噪声高压摆率的芯片OPA847的输入噪声电压最低可以有效的压制噪声它的压摆率也最高而且也可以得到6dB的电压放大倍数所以综上所述选择方案三
      1.2可控增益放大器方案的论证与选择
      方案一采用精密的电位器改变放大器的反馈电阻来实现增益可调采用如OPA820在+2倍增益时其增益带宽积240MHz但是这样会给电路系统带来干扰而且在频率很高的时候电位器会产生电容效应使得增益不够?#25945;?/font>
      方案二采用VCA821和VCA820可变增益放大器其中VCA821具有710MHz的小信号带宽2500V/us的压摆率VCA820具有150MHz的小信号带宽1700V/us的压摆率
      综合以上两?#22336;?#26696;选择为兼顾性价?#32676;?#39640;频信号等问题选择方案二
      1.3末级电压放大模块的论证与选择
      本级采用X级OPA2995THS3201作为功率放大它是电流反馈放大电路其优点是电路带宽受增益的影响小可以在满足放大的同时满足带宽的需求带宽主要受反馈电阻的影响因此我们根据芯片手册上的电?#33539;?#20854;外围电?#26041;?#34892;设计考虑到电源限制采用正负5V进行供电使系统通频带?#32454;ߡ?#32463;过?#22797;?#23581;试选择增益为40倍带宽超出180MHz.且带内?#25945;?#24230;较好能够满足题目的带载能力
      系统框图如下

      2 系统的理论分析与计算
      2.1放大器增益带宽积分析
      系统调整主要由压控放大器VCA821实现设置VCA821最大增益为5倍通过调节压控端电压调节增益其表达式为

      选取则增益为

      控制在-1~1V范围内变化可调节增益在0.05~5V/V变化
      2.2增益分配的计算
      根据题目中的基本要求增益在12dB40dB增益步长为4dB的增益步进控制频率范围为50MHz160MHz单级放大甚至是两级放大都是难以实?#20540;模?#25152;以我们选择4级?#35835;?#30340;方式最?#24080;?#29616;电压增益Av40dB的目标第一级输出实现11倍的放大可变增益放大实现程控增益的放大
      2.3 带宽计算
      通过方案论证宽带放大器采用集成运放实现题目发挥部分要求输入信号有效值时输出电压有效值即峰峰值为频率为100MHz时下降3dB则末级运放压摆率为

      同时题目要求电压增益输入信号频率为100MHz则若采用单级放大要求运放增益带宽积为

      目前运放无法实现单级放大60dB因此本系统采用多级放大实现60dB增益可调前级采用固定增益由宽带高压摆率运放OPA847实现10倍增益中间级通过压控放大器VCA824实现增益可调
      2.4频带内增益起伏的控制
      根据题目要求整个系统至少满足在75MHz108MHz范围内增益波动不大于2dB,由于本系统是X级?#35835;?#30340;结果并且每一级都可以单独工作所以要保证每一级的最大的增益波动小于2dB此外在各级共同工作时系统的总的增益曲线为各个模块的叠?#21360;?#32771;虑最极端的情况即各部分的最大增益波动的地方为同一个位置在这种情况下要保证各级最大的增益波动小于 2除以级数 才能满足题目的要求为了排除其他因素的影响我们选用的芯片都是输入电压噪声极低的芯片应该尽可能降低在75MHz108MHz通带内的波动必要时需要通过调整电路结果或外接LC网络进行一定的增益补偿
      通过上述合理的分配各级增益使得各级带宽满足要求四级?#35835;?/font>
      2.5输入输出阻抗设置
      题目要求系统的输入和输出阻抗都为50对于交流信号第一级运算放大器输入端使用50电阻连接到地如图2.3所?#23613;?/font>输出阻抗在输出级放大器输出端串接50电阻即可如图1所?#23613;?/font>

      图 1
      3 电路与程序设计
      3.1电路总体设计
      由前级放大电路模块程控增益模块末级放大电路模块组成详见附录1
      3.2程序总体设计
      程序模块主要由键盘DAC输出和显示构成
      3.2.1程序功能描述与设计思路
      采用stm32f103ZET6单片机通过扫描键盘键值来控制DAC输出的特定线性分布电压实现增益步进并且将增益值和DAC输出电压值显示在LCD屏幕上
      4 测试方案与测试结果
      4.1 测试方案方法
      系统调试原则根据电路原理?#20540;?#35797;个单元电路然后再整机测量
      1电路仿真与?#35835;?#35843;试
      运用仿真软件对每一集电?#26041;?#34892;电路仿真调整?#38382;?/font>达到要求后制作单层PCB板电路焊接并进行单级测试包括是否达到预定增益指标增益起伏是否达到要求等
      2成功后进行4级?#35835;?/font>整体测试得出结果进行调整后再固化电路布局最后装箱调试
      4.2 测试条件与测试仪器
      表4-2测试使用的仪器设备

      序号
      名称型号规格
      数量
      精度
      1
      数字万用表
      1
      3位半
      2
      DG4162函数信号发生器
      1
      300MHz
      3
      54642A示波器
      1
      500MHz

      测试条件检查多次仿真电路和硬件电路与系统原理图完全相同检查无误各元件?#38382;?#36873;择合适硬件电路无虚焊接错短路
      4.3 测试结果及分析

      4.3.1 基本功能测试
      我?#21069;?#29031;调试步骤逐一实?#25351;?#21151;能并将实验结果以表格?#38382;交?#24635;如下表所?#23613;?/font>

      5 设计总结 可以写我?#23884;?#23436;成了哪些指标
      本设计通过多级放大电路实现了增益可控的射频宽带放大器该放大器具有高带宽增益可步进等特点满足了题目的基本需求

      参考文献按文中引用次序列出
      [1]黄智伟. 射频小信号放大器电路设计.西安:西安电子科技大学出版社2008
      [2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计.?#26412;本?#33322;空航天大学出版社2006
      [3]张诚.电子系统设计电路篇.?#26412;本?#33322;空航天大学出版社2012
      附录1电路原理图

      OPA2695电路图

      VCA821电路图

      OPA847电路图

      THS3201电路图

      完整的Word格式文档51黑下载地址内含清晰图
      增益可控射频放大器.docx (308.9 KB, 下载?#38382;? 2)


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