基于射频放大器的开放实验项目研究与实现

2015-03-27邵阳学院信息工程系曹胜果许建明粟成发

电子世界 2015年19期

邵阳学院信息工程系曹胜果许建明申颖粟成发李忠

射频放大器是通信电子线路课程的基本电路，在通信系统、航空航天、军事等各领域有重要的应用，也是近年来大学生电子设计竞赛中考核内容之一。由于射频放大器工作频率高的特点，电路的分布参数、电路的非线性对PCB设计和电路的设计影响很大，在实践中经常出现电路正确，但输出频带不够、线性度差、无输出等现象。因此设计一个性能优良的射频放大器有着重要的实践意义，本文针对于通信电子线路课程的理论知识在开放实验设计了一款性能好、电路简单、成本低的射频放大器。

1 基本原理

本开放实验所设计的射频放大器的带宽要求是在76MHz到107MHz之间的频率的增益的波动小于2dB；输入电压的有效值小于20mV；且要求能够实现增益步进增益的范围在12dB到50dB之间，本实验的难点是在与增益波动小于2dB。整个系统的整体框图设计如图1所示。主要由前置放大，可控增益放大，后级缓冲放大和单片机D/A组成。系统的前一级通过OPA842实现6dB固定增益放大，中间级由两级电压控制放大器VCA824实现放大，在两个VCA824之间用OPA842作隔离，后级由OPA695实现2倍缓冲固定增益放大。增益的控制部分，采用89C52单片机与12位DA芯片TLV5616结合并且LM358组成的加法器，用来提供±1V的电压，用来控制电压来实现。为了降低纹波系数，提高信噪比，使用高精度的低纹波的线性电源给放大电路和单片机供电。

图1 系统总框图

2 硬件设计

2.1 芯片选型

由于本系统是宽带增益放大器，要求的带宽比较宽，因此需要选用带宽增益积非常大的芯片，并且需要多级串联实现宽带放大，单级虽然增益能够达到要求，但带宽比较窄。Anal og Devices Inc公司、Linear Technol ogy公司和TEXAS INSTRUMENTS公司都是比较有名的电子元器件公司，到目前为止，Linear Technol ogy公司作放大器芯片频率还没有做到那么高，放大器芯片ADI和TI公司比较多，ADI公司找到了AD8367符合要求，TI公司找到了VCA824也符合要求，但AD8367引脚比较多，运用控制起来比较复杂，最终VCA824是作为程控放大器的核心芯片选择。

2.2 阻抗匹配

射频电路的阻抗匹配对电路输出影响很大，对电路芯片各级间的级联必须要做到阻抗匹配，由于每个芯片的输入输出的阻抗都为50欧姆，因此，在开放性实验的芯片之间可以直接连接。如果是采用不同的阻抗的芯片或者是采用分立元件作为放大滤波电路，就必须注意这方面的问题，如果阻抗匹配不能做好，电路就很容易产生自激、衰减等一些问题。

2.3 前置电路

前置放大芯片选用运算放大器opa842，该芯片工作频率高于50MHz，带宽增益积大，可达400MHz，信号失真非常小，并且是电压反馈型放大芯片，放大倍数与反馈电阻成正比，方便计算放大倍数，如果选普通的运算放大芯片，不仅内部噪声比较大，使放大后的信号失真比较严重，而且带宽和频率都达不到要求。前置放大电路的放大倍数不能太大，放大6dB就足够了，如放大增益太大，会使带宽下降明显。

2.4 中间程控放大

程控放大部分核心芯片选用TI公司的放大芯片VCA824。VCA824是一款线性压控放大芯片，该芯片应用起来比较简单，只需要给输入引脚输入需要放大的信号，给控制放大倍数的引脚输入适当的电压，就会有输出；复杂的是指标调整，也就是根据指标来配置VCA824的外围电路；VCA824的增益控制电压是-1V到1V，输出电压随着控制电压的增高而增高，运用运算放大电路构成减法器，从而实现输出电压-1V到1V连续可调，作为VCA824的控制电压。两级VCA824中间加入一级由opa842构成的跟随器，可以起到隔离的作用，避免后级的输出受前级输出噪声的影响。

2.5 后级缓冲

后级缓冲电路选用超宽带电流反馈型运算放大器opa695。该电路既作缓冲器使用，又作为功放电路使用；电流反馈型运放不同于电压反馈型运放，其放大倍数与反馈电阻不成线性关系，所以反馈电阻不能随便改动，得参考芯片手册上的数据。

3 软件设计

系统的程序设计相对比较简单，通过设置按键来控制增益的倍数，并且通过LCD1602来显示当前设定的增益的大小数值，并通过A/D转换来显示当前的输出电压幅值。其程序整体流程图如图2所示。

图2 程序流程图

图3 输入10mV/75MHz仿真图

图4 输入有效值10mV/108MHz仿真图

表1 数据测试表

4 仿真结果与分析

本实验经过每个芯片组成的射频放大器，使用TI公司的专用仿真软件Tina90-TIzh，其仿真图如图3和图4所示。图3是在输入信号的有效值为10mV，频率为75MHz时的仿真图。图4是在输入信号为有效值10mV，频率为108MHz时的仿真图。表1是在输入10mV时的数据测试表。经过对比和分析图3和图4以及表1，本次设计的射频放大器完全符合开放性实验项目的要求。实现了输入有效值小于20mV，输出的值大于2V，并且在76MHz到107MHz之间的增益波动小于2dB。