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：
图三 电路总体框图
1.2.2总体方案描述：
系统框图如上图三所示，系统主要由四个模块构成：前置放大器、中间级可控增益放大器，后置放大器和单片机显示控制模块。其中前置固定增益放大电路由带宽很高的电流反馈运算放大器OPA695构成，采用同相输入的形式，引入深度电压串联负反馈来提高输入电阻，该电路固定增益约为23.5DdB；可控增益放大主要由LMH6502构成，可实现宽频带电压的线性放大，通过键盘控制单片机的输出电压并液晶显示，来提供 LMH6502部分电路的控制电压，使其可以达到-50~20 dB动态可调。将前置放大电路、可控增益放大电路与后置放大电路级联即可完成题目要求的增益0~60dB内范围可调。此外，整个系统对电源进行了多次滤波处理，来提高其稳定性能。
二、理论分析与计算：
2.1放大器的设计与增益理论计算：
对于电压反馈型的运算放大器，增益与带宽相互制约，在多级使用时，带宽会明显下降达不到要求。所以运算放大器要选择运放的增益不受限于带宽的电流反馈型的运放。在运放多级级联使用时要注意每级之间电源的隔离、电源接入时的电容去耦、运放级联时的阻抗匹配等问题，这样可以避免级联产生自激震荡。根据带宽要求，固定增益的放大器选用OPA695，可控增益放大选用LMH6502。放大电路形式选用同相放大，如图四所示。
图四 OPA695同相输入电路
由电路可知，OPA695反相放大时放大倍数等于1+RF/R1，而且需满足总输入电阻等于总输出电阻，考虑到第一级OPA695放大电路的输入为未经放大的小信号，且第一级带宽很宽，所以在分配各级电压增益时可以使第一级OPA695电路增益略大于第三级OPA695电路增益，由计算得第一级OPA695放大倍数，第二级OPA695放大倍数
2.2稳定性能与增益起伏控制：
（1）电源滤波处理。为了让VCA正常工作，对VC端进行滤波是非常必要的，因为控制电压的范围为0~2V，导致增益的变化范围是-80dB~20dB，特别是在恒定电压供给芯片时，毫伏级的纹波就可能对LMH6502造成很大影响，而且OPA695电路采用同相放大，容易产生自激现象，所以本系统进行了大量的滤波处理，来提高系统的性能。
（2）进行级间阻抗匹配。在放大器的增益很大时，要注意级间阻抗匹配的问题如果不注意级间匹配问题，信号直连，信号在频率较高的时候会反射到其他级产生驻波干扰，使信号产生畸变，影响放大器的稳定性，因此为了保证放大器的
稳定性，使信号功率无失真传输一定要输入输出的阻抗匹配。
（3）采用高速PCB布线方式，尽量减少信号频率过高时导致的将传输线效应和信号的完整性问题
2.3 增益调整
为了能够精确的调整放大器的放大倍数，提高系统的精度，可以采用以下的方法得到性能更佳的电路。
（1）选取LMH6502线性放大关系良好的一段进行电压控制增益。 （2）控制DA输出精度为mV级，使LMH6502增益可进行小幅度调整。
（3）考虑到第一级OPA695放大电路的输入为未经放大的小信号，且第一级带宽很宽，所以在分配各级电压增益时可以使第一级OPA695电路增益略大于第三级OPA695电路增益。
三、电路与程序设计： 3.1电路设计：
3.1.1前置固定放大电路设计
前级放大电路由超宽带电流反馈运算放大器OPA695构成，OPA695是一带宽很高的电流反馈运算放大器，可用于高动态范围的放大，通过调节反馈电阻和输入电阻的阻值使其电压放大倍数固定为17倍，增益约25dB，在其同相输入端并联 51 欧电阻到地，实现阻抗匹配。电路图如图五所示。
图五OPA695固定电压增益电路
3.1.2 可控增益放大电路：
系统可控增益放大电路采用LMH6502来实现，LMH6502有高达-80~20dB的增益调整范围，最高的线性增益误差只有0.3dB/V，控制电压VG由单片机控制DAC产生，其调节范围为0~2V时，可满足整个系统0~60dB的增益可调，对于电压控制增益电路，一定要对电源进行滤波处理来去除电源纹波对控制增益的影响，电路如图六所示。
图六LMH6502可控增益放大电路
3.1.3 电源稳压电路设计
采用LT1175，LT1763芯片进行电源稳压，来去除电源纹波对压控增益的影响，LT1175，LT1763都是微功率、低压差负稳压器。能够利用极宽范围的输出电容值来保持上佳的环路稳定性。二者能获得非常低压差电压和高效率。可以提供可调或固定 5V，而且LT1763 稳压器的一个重要特点是具有低输出噪声，稳压电路如图七所示。
图七 稳压电路图
3.2 系统软件设计：
本设计中控制电路采用STM32F103单片机为控制核心，通过键盘实现VCA控制电压VG的预置来控制其放大倍数，并将结果送LCD 显示。由于本系统中单片机只起控制增益和显示的作用，所以软件设计比较简单。启动后进入增益控制界面，可以通过按键调节增益，步进10mV，软件流程图见图八，程序清单见附录。
图八 程序流程图
四、测试方案与测试结果： 4.1测试仪器清单
表1 测试仪器表
4.2放大器增益测试
测试方案选择:VCC=5V，系统输入1mV（电压有效值，以下提到电压除特殊说明均为有效值），频率为1M的正弦信号，50Ω负载条件下测量，通过按键控制电压VG输出，来进行增益调节，记录不同控制电压VG时电压输出电压以及放大倍数，测试结果如下表。
4.3最大增益时输出端噪声电压测试：
测试方案选择：输入端对地短路，测量输出端噪声电压。 测试结果：输出端噪声电压峰峰值约为220mV。
4.4通频带测试：
测试方案选择：固定输入1mV，测量最大增益时对应的输出，计算3dB带宽对应的截止频率并求出通频带。
测试结果：输入为1mV信号时对应的最大增益输出为1030mV，输出信号无明显失真，其3dB带宽对应的输出电压为728mV，测试到的对应截止频率分别为200K和84MHz，故最大增益对应通频带约为84MHz。
4.5通频带内增益起伏测试：
测试方案选择：测量增益起伏小于等于1dB时所对应的截止频率，输入有效值为1mV、输出有效值为1020mV，改变输入信号的频率，观察信号输出有效值达到输入信号0.89倍时对应的截止频率，即为增益1dB起伏时对应频率。 测试结果：UOMAX=1020mV，UOMIN=0.89*1020=907mV时对应频率为43MHz。
4.6放大器输入输出阻抗测试：
测试方案：
a 输入阻抗测量：在输入100mV的时候，在输入端测信号，信号衰减一半，则输入端阻抗为50欧姆。
b 输出阻抗测量：在无信号输入，且空载时，用电表测输出端对地的电阻为50欧姆时，则输出阻抗为50欧姆。
测试结果：输入输出阻抗均为51Ω，符合题目要求。
4.7测试结果分析：
由测试结果可知，放大器的最大增益、3dB带宽、最小输入电压、最大输出电压等指标都达到或超过了题目的要求，在测量输出噪声参数时，由于测试环境中有大量电子设备，环境中干扰很大，测得如上结果，如果对整机做好屏蔽相信噪声可以更小。整个系统灵敏度较高，可以实现输入信号有效值1mV的无失真放大。
附录：总电路图
图九 系统总原理图
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：
图三 电路总体框图
1.2.2总体方案描述：
系统框图如上图三所示，系统主要由四个模块构成：前置放大器、中间级可控增益放大器，后置放大器和单片机显示控制模块。其中前置固定增益放大电路由带宽很高的电流反馈运算放大器OPA695构成，采用同相输入的形式，引入深度电压串联负反馈来提高输入电阻，该电路固定增益约为23.5DdB；可控增益放大主要由LMH6502构成，可实现宽频带电压的线性放大，通过键盘控制单片机的输出电压并液晶显示，来提供 LMH6502部分电路的控制电压，使其可以达到-50~20 dB动态可调。将前置放大电路、可控增益放大电路与后置放大电路级联即可完成题目要求的增益0~60dB内范围可调。此外，整个系统对电源进行了多次滤波处理，来提高其稳定性能。
二、理论分析与计算：
2.1放大器的设计与增益理论计算：
对于电压反馈型的运算放大器，增益与带宽相互制约，在多级使用时，带宽会明显下降达不到要求。所以运算放大器要选择运放的增益不受限于带宽的电流反馈型的运放。在运放多级级联使用时要注意每级之间电源的隔离、电源接入时的电容去耦、运放级联时的阻抗匹配等问题，这样可以避免级联产生自激震荡。根据带宽要求，固定增益的放大器选用OPA695，可控增益放大选用LMH6502。放大电路形式选用同相放大，如图四所示。
图四 OPA695同相输入电路
由电路可知，OPA695反相放大时放大倍数等于1+RF/R1，而且需满足总输入电阻等于总输出电阻，考虑到第一级OPA695放大电路的输入为未经放大的小信号，且第一级带宽很宽，所以在分配各级电压增益时可以使第一级OPA695电路增益略大于第三级OPA695电路增益，由计算得第一级OPA695放大倍数，第二级OPA695放大倍数
2.2稳定性能与增益起伏控制：
（1）电源滤波处理。为了让VCA正常工作，对VC端进行滤波是非常必要的，因为控制电压的范围为0~2V，导致增益的变化范围是-80dB~20dB，特别是在恒定电压供给芯片时，毫伏级的纹波就可能对LMH6502造成很大影响，而且OPA695电路采用同相放大，容易产生自激现象，所以本系统进行了大量的滤波处理，来提高系统的性能。
（2）进行级间阻抗匹配。在放大器的增益很大时，要注意级间阻抗匹配的问题如果不注意级间匹配问题，信号直连，信号在频率较高的时候会反射到其他级产生驻波干扰，使信号产生畸变，影响放大器的稳定性，因此为了保证放大器的
稳定性，使信号功率无失真传输一定要输入输出的阻抗匹配。
（3）采用高速PCB布线方式，尽量减少信号频率过高时导致的将传输线效应和信号的完整性问题
2.3 增益调整
为了能够精确的调整放大器的放大倍数，提高系统的精度，可以采用以下的方法得到性能更佳的电路。
（1）选取LMH6502线性放大关系良好的一段进行电压控制增益。 （2）控制DA输出精度为mV级，使LMH6502增益可进行小幅度调整。
（3）考虑到第一级OPA695放大电路的输入为未经放大的小信号，且第一级带宽很宽，所以在分配各级电压增益时可以使第一级OPA695电路增益略大于第三级OPA695电路增益。
三、电路与程序设计： 3.1电路设计：
3.1.1前置固定放大电路设计
前级放大电路由超宽带电流反馈运算放大器OPA695构成，OPA695是一带宽很高的电流反馈运算放大器，可用于高动态范围的放大，通过调节反馈电阻和输入电阻的阻值使其电压放大倍数固定为17倍，增益约25dB，在其同相输入端并联 51 欧电阻到地，实现阻抗匹配。电路图如图五所示。
图五OPA695固定电压增益电路
3.1.2 可控增益放大电路：
系统可控增益放大电路采用LMH6502来实现，LMH6502有高达-80~20dB的增益调整范围，最高的线性增益误差只有0.3dB/V，控制电压VG由单片机控制DAC产生，其调节范围为0~2V时，可满足整个系统0~60dB的增益可调，对于电压控制增益电路，一定要对电源进行滤波处理来去除电源纹波对控制增益的影响，电路如图六所示。
图六LMH6502可控增益放大电路
3.1.3 电源稳压电路设计
采用LT1175，LT1763芯片进行电源稳压，来去除电源纹波对压控增益的影响，LT1175，LT1763都是微功率、低压差负稳压器。能够利用极宽范围的输出电容值来保持上佳的环路稳定性。二者能获得非常低压差电压和高效率。可以提供可调或固定 5V，而且LT1763 稳压器的一个重要特点是具有低输出噪声，稳压电路如图七所示。
图七 稳压电路图
3.2 系统软件设计：
本设计中控制电路采用STM32F103单片机为控制核心，通过键盘实现VCA控制电压VG的预置来控制其放大倍数，并将结果送LCD 显示。由于本系统中单片机只起控制增益和显示的作用，所以软件设计比较简单。启动后进入增益控制界面，可以通过按键调节增益，步进10mV，软件流程图见图八，程序清单见附录。
图八 程序流程图
四、测试方案与测试结果： 4.1测试仪器清单
表1 测试仪器表
4.2放大器增益测试
测试方案选择:VCC=5V，系统输入1mV（电压有效值，以下提到电压除特殊说明均为有效值），频率为1M的正弦信号，50Ω负载条件下测量，通过按键控制电压VG输出，来进行增益调节，记录不同控制电压VG时电压输出电压以及放大倍数，测试结果如下表。
4.3最大增益时输出端噪声电压测试：
测试方案选择：输入端对地短路，测量输出端噪声电压。 测试结果：输出端噪声电压峰峰值约为220mV。
4.4通频带测试：
测试方案选择：固定输入1mV，测量最大增益时对应的输出，计算3dB带宽对应的截止频率并求出通频带。
测试结果：输入为1mV信号时对应的最大增益输出为1030mV，输出信号无明显失真，其3dB带宽对应的输出电压为728mV，测试到的对应截止频率分别为200K和84MHz，故最大增益对应通频带约为84MHz。
4.5通频带内增益起伏测试：
测试方案选择：测量增益起伏小于等于1dB时所对应的截止频率，输入有效值为1mV、输出有效值为1020mV，改变输入信号的频率，观察信号输出有效值达到输入信号0.89倍时对应的截止频率，即为增益1dB起伏时对应频率。 测试结果：UOMAX=1020mV，UOMIN=0.89*1020=907mV时对应频率为43MHz。
4.6放大器输入输出阻抗测试：
测试方案：
a 输入阻抗测量：在输入100mV的时候，在输入端测信号，信号衰减一半，则输入端阻抗为50欧姆。
b 输出阻抗测量：在无信号输入，且空载时，用电表测输出端对地的电阻为50欧姆时，则输出阻抗为50欧姆。
测试结果：输入输出阻抗均为51Ω，符合题目要求。
4.7测试结果分析：
由测试结果可知，放大器的最大增益、3dB带宽、最小输入电压、最大输出电压等指标都达到或超过了题目的要求，在测量输出噪声参数时，由于测试环境中有大量电子设备，环境中干扰很大，测得如上结果，如果对整机做好屏蔽相信噪声可以更小。整个系统灵敏度较高，可以实现输入信号有效值1mV的无失真放大。
附录：总电路图
图九 系统总原理图