增益可控射频放大器讲解
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。
增益可控射频放大器
摘要：本作品由德州仪器公司所生产的OPA847、VCA821、OPA2596、THS3201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2V，75-108MHz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。
关键字：OPA847；VCA821；程控步进增益；宽带放大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。
增益可控射频放大器设计
增益可控射频放大器设计徐贤;吴正平【摘要】本设计为增益可调放大器,由电源模块,增益控制模块,放大模块,键盘以及显示模块组成.具有放大倍数可调的程控功能.在前级放大中,采用电压反馈型放大器用OPA690构成同相放大电路,输出放大一定倍数的电压,经第二级采用编程可控范围较大的放大芯片VCA824,可以手动和程控.【期刊名称】《电子世界》【年(卷),期】2018(000)007【总页数】2页(P150-151)【关键词】增益可控放大器;射频放大器;增益可控【作者】徐贤;吴正平【作者单位】三江学院;三江学院【正文语种】中文1.系统方案设计增益可控射频放大器设计时，主要包括两个方面，一是可控放大器的实现；二是射频放大器的实现。
针对可控放大器的实现，常用的方法是采用场效应管或三极管控制增益，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；或者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。
前者，分立原件多，电路相对复杂，稳定性差，在频带要求高的场合不适用；后者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。
因此，本设计中，以上两种方案均未采用，而是采用更为直接的可调增益的运放实现（VCA824），该运放可以dB为单位进行调节，可控增益为±20dB，可以用单片机方便的预制增益。
这种方案集成度高，条理清晰，控制方便，易于数字化单片机处理。
在进行射频放大器设计时，没有采用电压反馈放大器OPA847、OPA8009、OPA691、OPA2694这些常用的运放，基于放大倍数和失真度的考虑而是采用电流反馈放大器OPA690、THS3091，因为OPA690特别适合做高频小信号放大，在Gain=2的前提下工作带宽为120MHz，可用于前级处理部分，而THS3091在Gain=2的前提下工作带宽为210MHz。
2.硬件电路设计2.1 系统框图本系统主要包括前级放大模块、增益控制模块、键盘及显示模块和电源模块。
增益可控射频放大器设计方案
增益可控射频放大器设计方案
要设计一个增益可控的射频放大器，可以采用以下方案：
1.选择合适的放大器架构：常见的射频放大器架构有共集、共基和共射极。
其中，共基架构通常具有较高的输入和输出阻抗匹配，适用于宽频段的应用；共射架构具有较高的增益和较低的噪声，适用于功率放大器设计。
2.选择合适的放大器器件：根据设计要求选择合适的射频晶体管或场效应管。
通常情况下，选择具有较高的增益、较低的噪声系数和适当的功率容量的器件。
3.匹配网络设计：使用合适的匹配网络来实现输入输出的阻抗匹配。
匹配网络可以提高电路的功率传输效率，减小反射损耗，并实现最优的功率增益。
4.增益控制电路设计：可以采用可变电容、电阻、电感等元件来实现增益的可调控。
通过调整这些元件的参数来控制放大器的增益。
5.稳定性分析和设计：进行稳定性分析，确保放大器在工作范围内保持稳定。
可以采取稳定性增强措施，如添加稳定性网络或者改进反馈电路。
6.射频线路设计：布局射频线路时，要尽量避免回授、干扰和串扰。
采用合适的屏蔽和分离技术，以减小射频线路的损耗和干扰。
7.仿真和测试：使用射频模拟软件进行电路仿真，验证设计的性能，并进行测试调整和优化。
以上是一般的增益可控射频放大器设计方案，具体的设计流程和细节还需要根据具体的应用环境和要求来调整。
增益可控射频放大器设计方案
增益可控射频放大器设计方案射频放大器是无线电通信中不可缺少的元器件之一，它的作用是将低功率的射频信号放大到足以驱动天线发射或接收的功率水平，是保证无线电通信质量的重要组成部分。
而在实际应用中，往往需要按照不同的应用场合、不同的工作模式设置不同的功率增益，这时候使用增益可控射频放大器就成为了一种必要且经常使用的方案。
增益可控射频放大器，顾名思义，就是可以根据用户设定的要求进行动态增益控制的射频放大器。
在其设计中，往往需要考虑到多种因素，包括放大器的带宽、线性度、增益稳定性、功耗等方面。
基本的设计方案可以分为两大方面，分别是电路拓扑的选择和控制驱动方法的选择。
第一部分，电路拓扑的选择1. 原理图分析在增益可控射频放大器的设计中，常见的电路拓扑有改变可变电容或电感的电容电感电路、改变偏压源或驱动功率的静态偏压调整电路、改变偏置电阻值的偏置调整电路等多种方案。
上述不同方案的电路拓扑有其各自的特点和适用范围，选用时应根据具体的应用场景和要求进行选择和优化。
2. 频带选择射频放大器的高频特性对于增益可控射频放大器的设计也非常重要。
在选择电路拓扑设计时，应优先考虑实现所需的频带扩展和增益线性特性。
单极型、双极型电路和互补式等电路拓扑结构被广泛应用于高频应用中，并且具有良好的频带性能和线性特性，因此可以作为首选方案。
3. 加工工艺为了满足射频电路在工艺制作和组装时的要求，应选择符合工艺流程和成本控制的电路方案，保证后续工艺步骤的顺利执行和成品的质量稳定性。
第二部分，控制驱动方法的选择1. 改变控制电压增益可控射频放大器的一个显著特点就是可以通过改变控制电压实现增益的可调。
可以采用变阻器、开关或数字锁存等控制方法实现控制电压的可变，再通过一定电路对电压进行转换和放大，实现对放大器增益的控制。
2. 功率反馈控制功率反馈控制是另一个常用的控制方法，通过将反馈电路接收到的功率信号与输出信号进行比较和控制，实现了对信号的自适应控制。
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。
程控增益射频宽带放大器
大 电路、功率放大 电路、ＭＳＰ４３０Ｆ５５２９单片机控制模 块四部分组 过计算 ，求出系统的实际增益。最后将实际 的增益与设置 的增益 比
成 。
较 ，利 用 以 上 数 据 算 出 测 量 误 差 。 测 量 时 将 输 出端 接 到 示 波器 ，观
方 案一：采用高频 三极 管如 ９０１８等分立元件搭建宽带放大器 ， 行 阻抗 匹配，将 其可控增 益范围 调整为 ．１４￣＋２０ｄ Ｂ，两级级 联理
本 方案 带宽足够快 ，增益高 ，成本低 ，但是电路设计复杂 ，稳定性 论 上 可 实 现 一２８－４０ｄＢ的 增 益 范 围 调 节 。
差 ，容易发生 自激，且三极 管存 在交越失真等现象 ，输出精度不高 ， 不满足 题 目对放大器稳定性和精度 的要求。
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 ，所以采用方案二。
３系统测 试
■ ３．１频带响应测试
设 定固 定放大 倍数 ，用 函数发 生器产 生固定输 入 电压 有效值
系统硬件 电路 由低 噪声固 定增益 放大 电路、宽带 可控增 益放 ２０ｍＶ的频率信号 ，然后用示波器 测量系统的输出信 ；且 引入继 电器，将影响高频特 加 相 移 均 小 于 １８０。。 部 分 反 馈 电 阻 上 可 并 联 反 馈 电 容 ，构 成 超 前
性 ，档位切换 也无法实现增益连续可调。 方案 二采用了可变增益放 相 位补偿来减 小输入杂散 电容的影 响；通过 ＰＣＢ板合 理布线 ，使 大器 ＡＤ８３６７，具有 以 ｄＢ为单位 的线性增 益的特点 ，并 且以单片 反馈回路 产生 的相移 最小。
关键词 ：射 频宽带放大器 ：压控增益 ＡＤ８３６７；ＭＳＰ４３０Ｆ５５２９
一种增益可控射频放大器的设计与实现
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ： Ｔ ｈ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｃ ｏ ｍ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｏ ｆ ｂ ｒ ｏ ａ ｄ ｂ ａ ｎ ｄ ａ ｍ ｐ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ０ Ｐ Ａ ８ ４ ２ ， ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｂ ｌ ｅ ｇ ａ ｉ ｎ ａ ｍ ｐ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ Ｖ Ｃ Ａ ８ ２ ４ ａ ｎ ｄ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ
ｇ ａ ｉ ｎ ａ ｍ ｐ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ Ｔ Ｈ Ｓ ３ ２ ０ ２ ｉ ｓ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ａ ｂ ｌ ｅ Ｒ Ｆ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ｇ ａ ｉ ｎ ． Ｒ ｆ ａ ｍ ｐ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ｇ ａ ｉ ｎ ｃ ａ ｎ ｂ ｅ ａ ｄ ｊ ｕ ｓ ｔ ｅ ｄ ｓ ｔ ｅ ｐ — ｂ ｙ — ｓ ｔ ｅ ｐ
线输入信 号， 最大 限度 地降低外部干扰 。 经测试 ， 整个系统性能稳定 ， 控制效果好 。 关键 词 ： ０ Ｐ Ａ ８ ４ ２； Ｖ Ｃ Ａ ８ ２ ４； 射频放大器 ； 可变增益放大器 中图分类号 ：Ｔ Ｎ ９ １ １ 文献标识 ： Ａ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。