增益可控射频放大器
2015年全国大学生电子设计竞赛全国一等奖D题
N F 1~ n N F 1
N Fn 1 NF 2 1 NF 3 1 NF 4 1 G pa1 G pa1G pa 2 G pa1G pa 2G pa 3 G pa1G pa 2 G pa ( n 1)
输入 第一级数控衰减 （HMC470） 前级低噪放 （TQP3M9035） 低通滤波器 22倍固定增益 （ADL5531） 第二级数控衰减 （HMC470） 22倍固定增益 （ADL5531）
高通滤波器 处理器 （MSP430） 功率放大器 （AH101） 按键 显示 输出
图 1 系统框图
二、理论分析与计算
最大功率值： 功率值(dBm） -29.04 20.72 22.87 22.95 22.89 22.92 22.95 22.98 23.03 22.87 22.64 22.41 21.83 21.37 21.14 20.90 20.69 20.58 -28.10
图 3 ADL5531 增益—频率图
本系统所设计最大增益为 70dB， 题目要求带外增益小于 20dB， 带外衰减需大于 50dB， 为方便调试，采用 11 阶椭圆低通滤波器级联 11 阶椭圆高通滤波器，其过度带陡峭且通频 带平坦性良好。 3、增益调整 由于要求最大增益控制范围为：12dB～52dB，动态增益控制范围至少为 40dB， 而所采用的衰减器 HMC470 衰减范围为 0～31dB，因此采用两级级联来调整系统的总增益， 动态范围达到 0～62dB。带内波动在 0.5dB 内，满足题目要求。 4、末级功率推挽 为满足输出信号有效值Uo≥2V即19dBm， 本系统采用AH101芯片作为末级功率放大器， 最大输出功率可达+26.5 dBm ，并且通频带波动小于1dB。 5、射频放大器稳定性 电源的设计、数字电路和模拟电路的连接设计、屏蔽性等在一定程度上影响着放大器 的稳定性，为保证系统的稳定性，本系统采取以下措施：
程控可变增益射频宽带放大器
程控可变增益放大器参赛队员：摘要本系统由宽带放大器OPA847、压控放大器VCA810和电流型运放OPA695组成。
系统前级通过OPA847实现10倍固定增益放大，中间级由压控放大器VCA810实现0.05~5V/V增益变化，后级由OPA695和继电器实现5~25V/V增益变化，末级由电阻网络进行10倍衰减，达到0dB~60dB 增益范围可调。
系统采用屏蔽盒进行电磁屏蔽，提高稳定性和抗干扰能力。
经测试，系统达到了题目所设定的所有指标。
关键词：放大器，VCA810，OPA847 ，OPA695AbstractThe system is designed with a broadband amplifier OPA847, Voltage controlled amplifier VCA810 and current-feedback operational amplifier OPA695.In the first stage, the system can achieve 10 times fixed-gain by OPA847.Then, in the intermediate stage, it uses VCA810 to achieve 0.05 ~ 5V / V gain range. In the latter part, the system achieves 5 ~ 25V / V gain variation by OPA695 and relays. In the last stage, the system achieves 10 times attenuation by the resistor network, so that the overall gain can be adjusted in the range of 0~60dB. In order to improve the stability and anti-jamming capability, the system uses the shield case to carry electromagnetic shielding. According to the test, all the indicators of the topic have reached .Keywords：RF broadband amplifier，VCA810，OPA847，OPA695目录1、方案论证1.1、≥60dB增益设计1.2、放大增益可调设计1.3、系统框图2、理论分析与计算2.1、宽带放大器设计2.2、频带内增益起伏控制2.3、射频放大器稳定性分析2.4、增益调整2.5、放大器带宽设计3、电路与程序设计3.1、前期固定增益电路设计3.2、VCA电路设计3.3、后级电路设计4、系统测试4.1、测试仪器4.2、测试方案及测试条件4.3、测试结果及分析5、参考文献输入VCA810输出输出一、方案论证1.≥60dB增益设计方案一：采用三极管实现。
可控增益放大器
摘要随着时代的发展,科技的进步，微电子技术、计算机网络技术和通信技术等等也在不断地更新换代，可控增益放大器被广泛的应用到各个领域当中。
可控增益放大器的核心为可控增益放大电路，人们对其研究也在不断加深，其技术也越来越成熟。
放大器是通信系统和其他电子系统中必不可少的一部分，可控增益放大电路模块在很大程度上决定了系统的整体指标.可控增益放大器是放大器的一个分支,它在通信系统中也有着非常重要的作用，于是人们对它的要求也会越来越高。
在通信和电子设备中，常常采用放大器实现信号的放大,要求其线性好，具有足够的增益来抑制后级电路的噪声对系统的影响，并且增益最好可调，当输入信号大范围变化时，能自动控制增益,输出稳定的信号，另外输出功率也能达到最大。
可控增益放大器，也就是在放大器的基础上加上控制增益部分。
在实际电路中，例如带负反馈的运放电路,其反馈电阻如果设为可调电阻,那么这个放大电路的增益就可以控制了,当然在其中还有许多其他的变化。
采用MSP430单片机实现数据采集及控制放大器的放大倍数，通过键盘输入实现输出状态控制、带宽选择以及增益步进控制,晶显示器显示所设置的状态及参数。
关键词：放大器，增益,单片机ABSTRACTWith the development of The Times，the progress of science and technology，microelectronics technology，computer network technology and communication technology，and so on are also constantly upgrading,controllable gain amplifier is widely applied to various fields。
The core of the controllable gain amplifier for controllable gain amplifier circuit，are also deepening the research，its technology is becoming more and more mature.Amplifier is an indispensable part of communication system and other electronic systems,the controllable gain amplifier circuit module to a great extent,determines the overall index of the system.Controllable gain amplifier is a branch of the amplifier，it also has a very important role in the communication system，so people will more and more high to the requirement of it.In communications and electronics equipment,often signal is realized by using the amplifier amplification，ask its good linear,with sufficient gain to suppress the noise level circuit after the impact on the system,and gain the best adjustable，when a wide range of input signal changes，can automatic gain control,stable output signal，and output power can achieve maximum.Controllable gain amplifier，that is，on the basis of the amplifier with gain control part.In the actual circuit，operational amplifier circuit with negative feedback,for example，if the feedback resistance as the adjustable resistance，then the gain of the amplifier circuit can control,in which there are many other changes，of course.Data acquisition and control is realized by using MSP430 single chip microcomputer，the larger the amplifier amplification by keyboard input output state control，choice of bandwidth and gain step control，crystal display shows and parameters set by the state。
一种增益可控型LR-WPAN CMOS功率放大器
摘 要 ： 计 了一 种 可 适 应 于 低 速 率 无 线 个 人 区 域 网 （ Ｒ— ＡＮ） 增 益 可 控 ＡＢ类 Ｃ 设 Ｌ ＷＰ 的 ＭＯＳ射 频 功 率 放 大 器 ． 过 两位 数 字 状 态 位 实 现 三 级 增 益 及 输 出功 率 控 制 ， 通 采用 片 上 集 成 电 感 和 电 容 实 现 负 载 Ｌ 回路 ， Ｃ 有效 地 提 高 电路 的集 成 度 ． 用 ０ １ ｍ ＭＯＳ工艺 设 计 并 利 用 Ｓ ｅｔｅ Ｆ在 ２ ４Ｇ Ｓ 频 段 仿 真 ， 验 结 果 表 明 ， 采 ． ８ｐ Ｃ ｐｃｒＲ ． ＨｚＩＭ 实
关 键 词 ：ＡＢ类 ＲＦ 功率 放 大 器 ；Ｃａ ｃ ｄ ｓｏ ｅ结 构 ；低 速 率 无 线 个 人 区 域 网 （ ＬＲ— Ｐ Ｗ ＡＮ）
中图 分 类 号 ： ＴＮ７ ２ ３ ２ ．
文 献标 识 码 ： Ａ
０ 引
言
近年来 ， 作 于 ２ ４ＧＨ 工 ． ｚ频段 的单 片低 功耗 Ｃ ＭＯＳ收发 机芯 片 因其 电池使 用寿命 长 、 低成 本 而引起
收发 前端 以及 基带 电路集 成 于单 片 Ｃ ＭＯＳ芯片 中是 实现低 成本 、 低复 杂性 和低 功耗无 线通 信 的最佳 解决
方案 ． 实现 短距离无 线通 信 的 Ｃ ＭＯＳ单 片集 成 的最大 挑 战是发 射机 中 的功率放 大 器 （ Ａ） Ｐ 模块 的设计 ， 这 是 因为在 Ｐ 设计 中需 要对 电源 电压 ， 出功 率 、 Ａ 输 功率 转换 效 率 以及线 性度 等进 行 折衷 考虑 ， 时这些 问 有
作 者 简 介 ： 保 林 （９ ４ ， ， 西 武 鸣 人 ， 士研 究 生 韦 １ ７ ～） 男 广 博
１ 功 率 放 大 器 的分 析 与设 计
射频放大器的9个主要性能指标
射频放大器的9个主要性能指标RF PA(radio frequency power amplifier)是各种无线发射机的重要组成部分。
在发送机的前级电路中，调制振荡电路产生的射频信号的功率非常小，需要经过一系列放大一缓冲级、中间放大级、最终级的功率放大级，得到足够的射频功率后，提供给天线进行辐射。
为了得到足够大的射频输出功率，射频功率放大器常常扮演着不可或缺的作用。
那么，射频放大器的主要指标有哪些呢？射频放大器结构射频放大器的9个主要性能指标1、输出功率和1dB压缩点(P1dB)输入功率超过一定值时，晶体管的增益开始下降，最终输出功率饱和。
如果放大器的增益偏离常数或低于其他小信号增益1dB，这个点就是1dB压缩点(P1dB)。
放大器的功率容量通常用1dB的压缩点表示。
2、增益工作增益是测量放大器放大能力的主要指标。
增益的定义是放大器输出端口传输到负载的功率与信号源实际传输到放大器输入端口的功率之比。
增益平坦度是在一定温度下放大器增益在整个工作频带内变化的范围，也是放大器的主要指标。
3、工作频率范围一般是指放大器的线性工作频率范围。
当频率从DC开始时，放大器被认为是直流放大器。
4、效率放大器是功率元件，所以需要消耗供电电流。
因此，放大器的效率对整个系统的效率非常重要。
功率效率是放大器的高频输出功率与提供给晶体管的直流功率之比。
NP=RF输出功率/直流输入功率。
5、交条失真(IMD)交条失真是具有不同频率的两个或更多个输入信号通过功率放大器而产生的混合分量。
这是因为放大器的非线性特点。
其中，三阶交条产物特别接近基波信号，影响最大，因此交条失真中最重要的是三阶交，当然，三阶交条产物越低越好。
6、三阶交条截止点(IP3)图2中基波信号的输出功率延长线与三阶交条延长线的交点称为三阶交条截止点，用符号IP3表示。
IP3也是放大器非线性的重要指标。
输出功率一定时，三阶交条截止点的输出功率越大，放大器的线性度越好。
射频放大器工作原理
射频放大器工作原理
射频放大器是一种电子器件，常用于信号放大和增强射频信号的功率。
它能够将输入信号的功率放大到更高的水平，以便在通信和无线电频谱等领域中使用。
射频放大器的工作原理主要涉及两个关键参数：增益和带宽。
增益是指输出信号与输入信号之间的功率比例，而带宽则是指射频信号可以通过放大器而不发生明显失真的频率范围。
对于一个典型的射频放大器，它通常由三个主要部分组成：输入匹配网络、放大器核心和输出匹配网络。
首先，输入匹配网络的作用是将输入信号的阻抗与放大器的输入阻抗匹配，以获得最大的功率传输。
这有助于减少信号在输入过程中的损耗。
接下来，放大器核心是射频放大器的一个重要部分。
它通常采用高频管（如晶体管、场效应管等）或集成电路作为放大器核心元件。
输入信号在这个阶段通过放大器的核心，同时通过供电电源提供所需的功率。
最后，输出匹配网络的目的是将放大器的输出阻抗与负载（如天线）的阻抗匹配，以确保最大功率传输和最佳信号质量。
在放大器的工作过程中，放大器核心会将输入信号的能量增加，形成一个更强大的输出信号。
这个过程涉及到提供所需的直流电源电压和电流，以供应射频放大器核心的工作。
总的来说，射频放大器通过调整放大器的输入和输出匹配电路，将输入信号的功率放大到更高的水平，从而实现信号的增强。
这种增强的信号可以在通信、广播、雷达等各种应用中发挥重要作用。
射频功率放大器的工作原理
射频功率放大器的工作原理
功率放大器又称为放大器，是一种电子元件，可将信号的功率放大，一般指交流电的功率放大。
由于其输出功率大，输出功率的大小取决于器件的阻抗和负载。
通过选择合适的参数可在输出端得到较高的输出功率。
射频功率放大器是一种具有多功能的电子设备，其主要作用是放大信号，具有增益高、线性度好、效率高等优点，在现代通信中得到了广泛应用。
在发射机系统中，射频功率放大器是用来提高发射机输出信号的功率和放大所需电压；在接收机系统中，射频功率放大器是用来提高接收机输出信号的功率和放大所需电压。
射频功率放大器一般是由带通滤波器、匹配网络、功放电路、控制器和电源五部分组成。
通常采用全波仿真软件进行仿真分析。
电路中有一个或多个放大器构成。
通常情况下，一个放大器通常由两个晶体管构成，每个晶体管有四个极（四个发射极），一个
与直流偏置电压相连的电源和一个与负载相连的输出级（图1）。
另外两个晶体管则与输入级和输出级相连。
—— 1 —1 —。
国赛d题增益可控射频放大器
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、AD8009AbstractThis 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 andanti-jamming capability.This system pass text andmeet all request of subject一、系统方案 (1)1.1 程控增益的论证与选择 (1)1.2固定增益放大器的论证与选择 (1)1.3 输出缓冲级放大 (1)1.4滤波器设计 (2)1.5 总体框图 (2)二、系统理论分析与计算 (2)2.1宽带放大器设计 (2)2.2 频带内增益起伏控制 (2)2.3射频放大器的稳定性分析 (3)2.4 增益调整 (3)三、电路设计 (3)3.1固定增益模块设计 (3)3.2程控增益模块设计 (3)3.3后级射频功放模块设计 (3)四、测试方案与测试结果 (3)4.1 测试仪器 (3)4.2 测试方案及测试条件 (4)（1）测试阻抗匹配和负载设置 (4)（2）放大器电压增益测试 (4)（3）放大器BW及增益平坦度测试 (4)-3dB4.3测试结果及分析 (4)（1）放大器电压增益测试 (4)带宽测试 (4)（2）放大器BW-3dB五、参考文献 (4)增益可控射频放大器（D 题）【本科组】一、系统方案本系统主要由程控增益模块、固定增益放大模块、滤波器模块、功率放大器模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
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增益可控射频放大器
一、系统方案
1、方案分析与比较
方案1：以高增益精度的压控VGA芯片AD603作为核心放大器，但频率再高时，效果很不理想，并且在级联时，很容易产生自激现象。
方案2:采用宽带可变增益FET放大电路，其缺点是增益步进控制难以实现，高频时频率的稳定性不好，在75MHz~108MHZ增益起伏较大，不能满足要求。
方案3：采用射频放大器AD8321+衰减器HMC472+放大器AD809的形式。
第一级为AD8321三级级联，使增益倍数达到52dB。
考虑到输入信号为高频信号，随着频率增加，幅度衰减增大，所以第二级加上可设置分贝衰减器，衰减器随着频率升高衰减效果明显，通过这样的方式使输出幅度稳定。
但考虑实际拟合后，增益会稍微下降，最后通过第三级放大器将增益值稳定至输入增益。
AD8321是一款低成本、数字控制式可变增益放大器，所需输出增益由8比特串行字决定，方便STM32程控，输出增益范围为-27.4dB~26dB，增益变化为0.75 dB/LSB。
具有极低输出噪声电平，上行带宽高达235 MHz(最小增益)，符合题目200MHz要求。
综上考虑，AD8321具有频带宽、噪声低、增益可编程，易于与STM32进行串行通信等优点，选用方案3。
2、系统整体设计
根据题目要求，本系统主要由：键盘控制，液晶显示、语音播报模块，三级AD8321级联，衰减器，第二级放大模块，滤波器电路，电压转换电路组成。
总体设计框图如图一所示：
二、理论分析与计算
1、射频放大器设计
按照本设计要求，带宽为40MHz~200MHz，电压增益为52dB。
所以采用AD8321三级级联的方式。
8321最大增益为26dB，理论上总增益=26+26+26=78dB，符合设计要求。
并且阻抗之间已经匹配，级联时无需额外电阻网络。
为了防止高频走线间干扰，采用贴片式电路，原理图是根据器件手册的应用电路来设计。
2、频带内增益起伏控制
造成通频带内增益起伏的原因有很多，包括带内波动、运放幅频响应不平坦及供电电源电压不稳等，为了降低增益波动，在三级放大输出加上衰减器，利用衰减器HMC472随着频率增高衰减效果明显的特性，使频带内增益起伏得到控制。
对幅度衰减特性进行补偿，最后再加一级AD809，将增益稳定。
3、射频放大器稳定性
由于本系统的处理对象是高频信号，所以整个系统对噪声的处理要求很高才能保证射频放大器的稳定性。
噪声来源包括：电源、外界环境、级间干扰，以及走线间相互干扰等。
针对不同的噪声，采用了不同的处理措施：
（1）电源干扰：使用电感、电容构成滤波电路，能有效滤除纹波。
在每个运放的电源引脚并联去耦电容。
（2）外界环境干扰，为了防止外界干扰，可以将电源线和地线加宽，并且在制PCB板时加以覆铜；对自动增益级及功率放大级增加屏蔽罩，提高其抗干扰性能。
（3）级间干扰，各级之间，采用了高低频电容来滤除高低频噪声。
（4）走线相互干扰，走线尽量的短，信号线尽量不相交，以免产生高频自激。
（5）电路板要合理布局，防止信号之间的串扰，整个PCB板的底层为地平面，较大的地平面对噪声吸收较好。
（6）将输入部分和增益控制部分装在屏蔽盒中，避免级间干扰和高频自激。
4、增益控制
系统采用三级AD8312放大器级联，每级增益最大可达26dB，由STM32程控，通过键盘输入总增益值，考虑高频信号的幅度衰减问题，在衰减器后面再加一级AD809放大器，使增益稳定。
三、电路与程序设计
1、各主要模块电路设计
（1）宽带放大器模块
AD8321为高频段放大器，含SPI总线接口，其带宽235MHz，增益可调，其最大增益为26dB。
为满足题目52dB的要求，系统采取三级级联的措施，理论上，Gain=26+26+26=78dB。
因此，可以实现题目中对增益的要求。
由于阻抗已经匹配，无需再加电阻网络，可以直连。
为了减少电路走线间干扰，采用贴片式电路，电路原理图如图二所示：
图二
PCB板如图三所示：
图三
（2）衰减器模块
为了调整合适的增益放大倍数，采用HMC472六位数控衰减器，从其4脚输入信号，15脚可获得衰减后的输出信号，可以程控获得0.5dB 、1dB、2dB、4dB、8dB、16dB、31.5dB的增益衰减。
该器件具有成本低，电路简单的优点。
电路连接如图四所示：
图四
（3）滤波器模块
由于要求-3dB的通频带不窄于40MHZ~200MHZ，同时为了使通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零，故设计16阶巴特沃斯带通滤波器。
由于是高频信号，为了防止走线间相互干扰，我们采用画贴片式PCB板的方法。
滤波器的原理图如图五所示：
图五
PCB板如图六所示：
图六
（4）直流稳压电源
由于系统由12V单电源供电，放大器需9V供电，衰减器和STM32需5V供电，但是只有12V转5V和12V转12V的隔值DC—DC转换器，所以采用LM7809将12V 电源转化为9V，电路如图七所示：
图七
3、软件设计
根据题目要求，软件部分主要实现键盘的设置、显示和控制增益输出以及语音播报功能
（1）键盘实现功能：设置四个方向键和一个确认键，通过方向键输入增益值。
（2）显示部分：采用OLCD液晶屏，显示增益值。
（3）语音部分：采用PM66语音芯片，播放作品信息及放大增益倍数。
软件流程图如图八所示：
图八
四、测试方案与测试结果
1、测试仪器
高频信号发生器DG4062
示波器MDO4104—3
数字电压表FLUKEE
数控式线性直流稳压电源LPS—305
2、测试方案
（1）增益测试
从信号源输出一个有效值为5mV的正弦信号，改变信号频率，用示波器测试系统输出信号的电压有效值，计算放大倍数及增益。
（2）带宽测试
在最高增益状态下，从信号源输出一个有效值为5mV的正弦信号，改变信号频率，用示波器测试输出信号幅度的变化，观测幅度降至最大值的0.707倍时的信号频率，记录上限及下限频率，计算带宽值。
3、测试结果
输入有效值为5mV，增益为52dB时，测试输出以及增益表如表一所示
4、测试误差分析
由测试结果可知，随着频率增高，测试误差变大，原因是高频信号在传输过程中，信号幅度会随着频率的增加而衰减，所以增益值有一定影响，而且电源，连接线之间也有一定噪声干扰。
五、结论
本系统是基于AD8321的增益可控射频放大器，可实现60dB最大电压增益，4dB步进调整，输入电压为5mV，输出电压>2V，增益绝对误差不大于2dB，并能显示设定的增益值，波形无明显失真，达到题目的发挥要求。
该装置的信号放大通过3片AD8321级联+HMC472衰减器+放大器AD809的形式完成，能通过STM32有效程控输入增益，并且能明显抑制频带内增益起伏，降低高频信号在传输过程中，幅度随着频率升高而衰减的现象。
系统稳定性较好，经济美观。