2013年国赛一等奖-射频宽带放大器

2013年国赛一等奖-射频宽带放大器 射频宽带放大器(D 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ) 作者:郭培培 韩家斌 茹田力(中国地质大学(武汉)) 赛前辅导教师:赵 娟 文稿整理辅导教师:赵 娟 摘 要 本系统由宽带放大器OPA847、压控放大器VCA824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VCA824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:射频放大器， VCA824， OPA847 ，OPA695 Abstract The system is designed with a broadband amplifier OPA847, Voltage controlled amplifier VCA824 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 VCA824 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，VCA824，OPA847，OPA695 一、 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 论证 1. ?60dB增益 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方案一:采用三极管实现。采用开环增益低的三极管，级内反馈，避免大环反馈，容易处理，且三极管放大电路频率响应较好。 方案二:宽带运放实现。采用高带宽，大压摆率的宽带运放实现60dB放大。由于运放由于具备高开环增益、高输入阻抗和低输出阻抗，所以由运放构成的放大器电路具备更好的线性，但由于运放的高开环增益以及反馈机制的存在，运放电路的频响一般较差。 方案一采用三极管放大，具有很好的频率响应，但由于分立元件，在高频小信号传输时会引入很大噪声，造成系统不稳定。方案二虽然集成运放的频率响应较差，但集成运放具有很好的稳定性，且增益易于控制。综合考虑，本次设计采用方案二的方式实现?60dB放大增益。 2. 放大增益可调设计 方案一:固定增益与电阻网络衰减。通过前级放大电路进行固定增益放大，后级由电阻网络衰减，如电位器，实现0~60dB范围内增益可调。 方案二:采用压控放大器。采用压控放大器(VCA)，其增益可有——————————————————————————————————————————————— 外部电压控制，实现一定范围内增益步进可调。 方案一采用电阻网络衰减，电路结构简单，易于实现。但由于系统输入信号为1M~100MHz，在高频信号下，电阻的特性发生改变，使其具有电感和电容的性质，对信号造成很大干扰。方案二采用VCA实现增益可调，但由于运放带宽及增益限制，调节范围较小。综合考虑，本次设计采用方案一和方案二结合的方式，前级采用固定增益变化，后级由VCA控制，实现放大增益可调。 3. 系统框图 本系统由OPA847单级放大10倍，中间级通过压控放大器VCA824实现0.05~5V/V倍增益控制，后级电路通过OPA695实现5倍固定增益，末级由继电器切换进行5倍增益放大和10倍电阻网络衰减。系统框图如图1所示。 图1 系统框图 1 二、理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 与计算 1. 宽带放大器设计 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???????1mV时，输出电压有效值?????1??，即峰峰值为???????2.828??，频率为100MHz时下降3dB，则末级运放压摆率为: ?????2×??×100??×2.828??=1776??/???? (1) 同时，题目要求电压增益?60dB，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: ??????=1000×100??=100?? (2) 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0.05~5V/V增益可调。VCA824带宽为350MHz，增益范围0~40dB范围可调，可完全达到题目指标要求。后级由继电器切换，实现最终0~60dB范围可调。 2. 频带内增益起伏控制 本系统前级固定增益放大，根据OPA847Datasheet提供，其增益为G=12时，带宽高达600MHz，可达到题目发挥部分要求“1MHz~80MHz范围波动<1????”的指标要求。 中间级使用压控放大器VCA824，在一定频带内输出信号会有波动。根据VCA824Datasheet提供，在压控电阻控制端进行频率补偿，可扩展信号频带，使输出信号增益稳定，达到题目“波动,1dB”指标。 后级电路使用电流反馈型运放OPA695，通频带平缓，带宽为1.7GHz远远大于80MHz。 3. 射频放大器稳定性分析 由于系统输入信号频率为1M~100MHz，信号有效值小于1mV，放大器在工作过程中容易引入噪声，且系统不稳定容易引起自激。因此，本次设计前级固定增益放大电路，第一级设计较低增益，放大10倍，减小噪声对系统后级影响，提高系统稳定性。同时，为减少——————————————————————————————————————————————— 外界电磁干扰，设计中采用屏蔽盒对系统进行抗干扰处理，进一步提高系统稳定性。 4. 增益调整 系统增益调整主要由压控放大器VAC824实现。设置VCA824最大增益为5倍，通过调节压控端电压??????调节增益。其 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达式为: G=2×????×?????? (3) ???? 如图2所示电路，选取????=2.5????，则增益为G=5×??????，控制??????在-1~1V范围内变化，可调节增益在0.05~5V/V变化。 2 5. 放大器带宽设计 根据题目要求系统带宽下限频率?????0.3??????，上限频率?????100??????。设计中所选取的放大器芯片带宽均远远大于100MHz。压控放大器频带通过RC频率补偿也实现上限频率?????100??????的指标。 三、电路与程序设计 1. 前级固定增益电路设计 通过方案论证和理论分析，系统前级电路采用宽带放大器OPA847实现20dB增益放大。OPA847为宽带放大器，带宽为3.9GHz，压摆率为950V/μs，且其放大倍数大于12时，系统增益稳定。前级输入信号有效值为????=1????，则放大20dB输出电压峰峰值为: ????????=2 ×1×100=282.8???? (4) 则所需运放压摆率为: ——————————————————————————————————————————————— SW=2×3.14×100M×282.8mV=177V/μs (5) OPA847完全达到指标要求。具体电路如图2所示。 图2 OPA847放大电路图 2. VCA电路设计 中间级通过压控放大器VCA824实现0.05~5V/V增益控制。VCA824为宽带压控放大器，10倍增益带宽为320MHz，完全达到题目100MHz带宽要求。通过调节VCA824压控端控制输出增益，实现增益可调。具体电路如图3所示。 图3 VCA824压控电路图 3 3. 后级电路设计 后级电路设计通过OPA695实现5倍增益放大，通过继电器切换电阻网络进行衰减，使整个系统实现0~60dB增益范围可调。OPA695为电流反馈型运放，具有2500V/μs高压摆率和带宽，完全可实现有效值1V、带宽100MHz信号输出。具体电路如图4所示。 图4 OPA695后级电路图 四、系统测试 1. 测试仪器 (1)数字示波器 (2)DDS函数信号发生器 (3)数字万用表 (4)自制线性电源 ——————————————————————————————————————————————— 2. 测试方案及测试条件 (1) 放大器电压增益测试 设置信号源产生有效值为????=10????，频率为????=15??????的正弦信号送入系统，系统输出端并联50Ω电阻到地作为负载。用示波器同时观察系统的输入信号和输出信号。调节系统增益控制端电位器，观测系统输出信号是否满足有效值?????200mV指标。 进一步减小输入信号有效值为????=1????，频率为????=80??????，示波器观测系统输出信号。继续调节增益控制电位器，观测系统输出信号是否满足有效值??0?1V，计算系统增益是否满足0~60dB范围内可调。 (2) 放大器???????????带宽测试 设置信号源产生有效值????=1????正弦信号，系统增益为60dB，调节输入信号频率在100k~100MHz范围内连续变化，观测输出信号是否有波动。在输入信号频带范围内找到输出信号幅度最大值和最小值，计算带内波动?1dB时所对应上下限频率，是否满足1M~80MHz带宽。 继续扩大输入信号频率范围，找到输出信号幅值下降3dB所对应的上下限频率，计算是否满足?????0.3??????、?????100??????。 4 DPO2012B EE1420 U3402A (3) 输出噪声电压测试 设置系统增益为60dB，将系统输入端接地，通过示波器观测系——————————————————————————————————————————————— 统输出信号即输出噪声。计算输出噪声峰峰值是否满足???????????100????。 3. 测试结果及分析 (1) 放大器电压增益测试 根据测试方案，通过示波器观测，放大器电压增益基本要求测试结果如表1所示，发挥部分测试结果如表2所示。 表1 电压增益基本要求测试结果 表2 电压增益发挥部分测试结果 通过测试结果表1可以看出系统实现了基本要求部分输入信号有效值?????20????，输出信号有效值?????200????指标要求，且系统可实现0~20dB范围内增益可调。通过测试结果表2可知系统达到了发挥部分输入信号有效值?????1????，输出信号有效值?????1??指标要求。系统增益可在0dB~60dB范围内可调，且增益范围>60????。 同时，根据测试结果可以得到，系统增益在0dB时，输出波形质量有些许抖动，但无明显失真，在>10????后，系统输出信号质量较好，波形稳定区失真。输出波形失真是由于在低增益时，输入信号为微弱高频小信号，很容易受外界干扰，且由于频率范围较宽，示波器采样等也会带来一些影响。 (2) 放大器???????????带宽测试 根据测试方案，放大器?????3????测试结果如表3所示。 表3 放大器???????????测试结果 ——————————————————————————————————————————————— 注:增益起伏= 频带增益?设定增益 从测试结果可以看出，系统在1M~100MHz内，输出信号幅值最大时对应增益 5 为60.3dB，输出信号幅值最小时对应增益为59.5dB，则根据题目要求，频带内增益起伏为: ?=?????????????????=60.3?59.5=0.8??B<1???? (6) 通过计算，系统在0.3M~100MHz频带内，系统增益起伏满足题目指标要求。同时，可以根据测试表格，得到系统增益下降3dB时，对应下限频率<0.12??????，上限频率>100??????，达到了题目的带宽要求。 (3) 输出噪声电压测试 根据测试方案，在增益为60dB时，通过示波器观测，系统输出噪声峰峰值为80mV，满足题目的“小于100 mV”要求。且本设计通过屏蔽盒，将作品与外界环境进行隔离，则系统主要噪声来源为供电电源引入的工频干扰和屏蔽不彻底带来的电磁干扰。 参考文献 [1] 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京:北京理工大学出版社.2007. [2] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计[M].北京:北京航空航天大学出版社 2006. [3] 塞尔吉奥?弗朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设——————————————————————————————————————————————— 计[M].西安:西安交通大学出版社 2010. [4] 康华光.电子技术基础(模拟部分)[M].武汉:高等教育出版社 1979. 6 ———————————————————————————————————————————————