增益控制射频放大器的设计与实现

赵同刚，曹贝贝

(北京邮电大学 电子工程学院，北京 海淀 100876)

·实 验 技 术·

增益控制射频放大器的设计与实现

赵同刚，曹贝贝

(北京邮电大学 电子工程学院，北京 海淀 100876)

为了提高学生的创新实践能力，学校将典型的电子竞赛题目应用于本科的日常教学。该文以增益程控射频放大器为例，阐述了题目设计和方案实施。涉及增益程控射频放大器的各器件不仅巩固了学生掌握的基础知识，而且提高了学生独立思考、解决问题的能力，同时学生的动手能力也达到了很好的锻炼。

增益程控;宽带放大器;压控放大;高通滤波

近几年来，社会对于电子信息类人才的需求越来越大。一个卓越的工程师，不仅需要扎实的理论基础、宽广的知识面，更需要优秀的创新能力和分析解决具体问题的综合能力。北京邮电大学在培养电子信息类专业卓越工程师计划中，制定了“以社会需求为导向，以实际工程为背景，以工程技术为主线，着力提高学生的工程意识、工程素质和工程实践能力”的教学总方针[1]。实验中心根据好的创新题目、典型电子设计竞赛题目，不断更新实验教学内容。社会发展的需求，电子设计竞赛水平的逐年提高，对学生的综合实力提出了更高的要求。为了提升学生的综合能力，增强学生的学习积极性，我们及时更新典型电子设计竞赛题目，将其应用到本科日常实验教学当中。本文以2015年全国大学生电子竞赛当中的D题——增益可控射频放大器应用到实验课程为例，阐述设计并制作一个增益可控射频放大器的系统设计方案及具体环节的各个过程与步骤。

1 系统理论分析与计算

题目要求：设计并制作一个增益可控射频放大器，实现电压增益G，增益步进控制，控制范围为12～40 dB，增益控制步长为4 dB，增益绝对误差不大于2 dB，并能显示设定的增益值[2]。该系统设计实现如下。

增益程控射频放大器由固定增益放大模块、电源转换模块、增益步进可调模块和带通滤波器模块组成[3-4]。其中，放大模块，采用宽带运算放大器实现，利用高带宽、高压摆率的宽带运放实现放大；增益可调模块，采用压控放大器，其增益可由外部电压控制，实现增益步进可调。系统框图如图1所示。

图1 系统设计框图

1.1 射频放大器设计

题目要求电压增益G≥52 dB，输入信号频率f≥200 MHz，则若采用单级放大，要求运放增益带宽积为：

GBW=200 MHz×400=80 GHz

(1)

目前没有运放可以达到80 GHz的增益带宽积，故采用多级放大的方式实现设计。

SR=2πfVpk

(2)

(3)

SR=3 516.8 V/μs

(4)

分析后级芯片压摆率要求较高，因此选择AD8009作为后级放大运放，AD8009压摆率达到5 500 V/μs，且带宽为1.8 GHz，满足设计要求，因此选择THS3201作为放大电路的末级[5]。

1.2 频带内增益起伏的控制

可以选增益曲线平坦的器件，如电流反馈型运放OPA695，通频带平缓，带宽1.7 GHz，满足题目要求的200 MHz。注意级间阻抗匹配，设计中考虑输出频率补偿，中间级使用压控放大器VCA821在一定频带内输出信号会有波动。根据VCA821 datasheet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，达到题目的“波动≤1 dB”指标[6]。

1.3 射频放大器稳定方法

由于系统输入信号频率为40～200 MHz，信号有效值小于5 mV，放大器容易引入噪声。晶体管中寄生电容在高频时形成内反馈，从而影响到放大器工作的稳定性，引起自激。因此，本设计利用宽带运算放大器OPA695做缓冲级，减小噪声对后级影响，提高系统稳定性。

另外，在放大器板上运放电源线及数字信号线加电容滤波，滤除较低频率的干扰。在两个焊接版之间传递模拟信号时用同轴电缆，信号输入输出使用SMA-BNC接头以使传输阻抗匹配，并减少空间电磁波对该电路的干扰，避免放大器自激[7]。

1.4 增益调整方案

根据VCA821数据手册，可以计算其增益：

(5)

选择Rf为390 Ω，Rg为82 Ω，分式写为Vrf，改变Vrf以达到控制电压的目的。

2 电路实现与程序

整个设计电路的实现包括压控增益电路模块、缓冲级模块电路、主放大电路模块、无源滤波等几个部分，具体实现如下。

2.1 压控增益电路

通过压控放大器VCA821实现增益可调。VCA821为宽带压控放大器，10倍增益带宽为320 MHz，完全达到题目的100 MHz带宽要求[8]。电路如图2所示。

图2 压控放大器实现放大电路

2.2 缓冲级电路

OPA695频带宽度1.8 GHz，压摆率为950 V/μs，用OPA695做一级缓冲级，从而隔离前后级，增大前级VCA821驱动能力[9]，具体电路如图3所示。

图3 缓冲电路的实现

2.3 后级放大电路

后级电路通过OPA695、AD8009两级放大电路实现增益G≥40 dB，AD8009带宽为1 800 MHz，压摆率为5 550 V/μs，可以达到设计要求[10]，电路如图4所示。

图4 后级放大电路

2.4 滤波电路

采用LC无源滤波设计截止频率为40 MHz的高通滤波器，具体电路如图5所示。

图5 高通滤波电路

2.5 程序设计流程

矩阵键盘输入目标增益值，通过DA方式改变VCA821的增益值，并在OLED屏上显示设置的增益值，程序流程如图6所示。

图6 软件系统图

3 测试方案和结果分析

3.1 放大器电压增益测试

设置信号源产生有效值为Ui=5 mV，将频率为f=100 MHz的正弦信号送入系统，系统输出端并联50 Ω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。进一步改变输入信号频率f=200 MHz，示波器观测系统输出信号。系统输出信号是否满足有效值Ui=2 V指标。并计算电压增益是否满足G≥52 dB的指标[11]。

3.2 放大器带宽测试

设置信号源产生Ui=5 mV有效值正弦信号，系统增益为52 dB，调节输入信号频率在1～200 MHz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2 dB时所对应的上下限频率，是否满足fl≤50 MHz、fl≥160 MHz。继续扩大输入信号频率范围，找到输出信号幅值下降3 dB所对应的上下限频率，计算是否满足fl≤40 MHz、fl≥200 MHz。经测试，以上指标均满足要求。

3.3 放大器衰减测试

设置信号源产生Ui=5 mV有效值正弦信号，设置频率为20 MHz，计算放大倍数是否满足小于等于20 dB的要求。再将频率设置为270 MHz，计算放大倍数，是否满足小于等于20 dB的要求。按照设计电路，测试的结果满足以上指标要求。

3.4 放大器步进测试

设置信号源产生Ui=5 mV有效值的正弦信号，设置频率为60 MHz，从12 dB开始，以4 dB为步进，直到增长到52 dB，测试输出电压是否满足电压增益设定值[12]。最终测试得到：利用以上设计方案，放大器的电压增益G≥52 dB，增益控制范围为20～52 dB，增益控制步长为4 dB，增益绝对误差不大于2 dB，并能显示设定的增益值。输入电压有效值Vi≤5 mV，其输入阻抗、输出阻抗均为50 Ω，负载电阻50 Ω，且输出电压有效值V0≥2 V，波形无明显失真；在50 MHz～160 MHz频率范围内增益波动不大于2 dB；-3 dB的通频带不窄于40 MHz～200 MHz，即fL≤40 MHz和fH≥200 MHz；当输入信号频率f≤20 MHz或输入信号频率f≤270 MHz时，实测电压增益G均不大于20 dB。采用点频法测量数据如表1所示，测试结果满足竞赛题目设计要求。

表1 点频法测量数据表

4 结束语

北京邮电大学经过多年的摸索和改革，不断地改造典型电子竞赛题目应用到本科实验教学活动中，丰富了设计、综合型的实验内容，同学们从中获益匪浅，不仅验证和巩固了基础理论知识，而且通过新增实验内容，提高了自学能力和创新能力，增强了学生的综合实力。通过实验教学、电子竞赛培训和创新项目的联合培养，学生实践动手能力整体上升，在全国和北京市电子设计竞赛中屡创佳绩。2014年，共获得8个北京市一等奖，2个北京市二等奖的成绩；2015年，在全国电子设计竞赛中，获得3个全国二等奖，6个北京市一等奖，3个北京市二等奖的成绩。通过实验教学的改进，学生在毕业生就业、研究生录取和出国方面都展示了很强的实力。在电子信息领域的综合素质得到了很大的提高。

[1]赵同刚，刘乐.以卓越工程师为目标驱动人才培养方式的改革[J].实验技术与管理，2015，32(1)：164-166.

[2]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.

[3]BRUCE C.运算放大器权威指南[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[4]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.

[5]侯国宾，李志.一种增益可控射频放大器的设计与实现[J].数码世界，2015(12)：7-8.

[6]张宝玲，李晓波.一种程控增益宽带射频放大器的设计与实现[J].信息化纵横， 2009(13):25-27.

[7]吕剑锋，孙虹.射频功率放大器的稳定性分析[J].国外电子测量技术，2005(3)：11-14.

[8]王菊娇，成世龙，罗宜春.增益可控射频放大器[J].科技展望，2016(2)：155.

[9]李万鑫，赵新，徐源博，等.一种新型增益可控射频放大器的设计与实现[J].电子世界，2015(20)：68-70.

[10]曹胜果，许建明，申颖，等.基于射频放大器的开放实验项目研究与实现[J].电子世界，2015(19)：19-20.

[11]郭小凤，刘帅，李楠楠，等.一种增益可控射频放大器的设计与实现[J].电子测试，2015(19)：19-22.

[12]席乐乐，曹洪奎，李玉宝，等.程控增益射频宽带放大器[J].电子制作，2016(1)：26-31.

DesignandImplementationoftheRFAmplifierGainControl

ZHAO Tonggang，CAO Beibei

(School of Electronic & Engineering，Beijing University of Posts and Telecommunications，Haidian 100876，China)

In order to improve students’ ability of innovation and practice，the school will be a typical electronic competition topics applied to undergraduate daily teaching.In this paper，took the gain programmable radio frequency amplifier as an example，described the problem design and program implementation.The devices used by the gain programmable radio frequency amplifiers not only can consolidate the basic knowledge of the students，but also can improve the students ‘ability to think and solve problems independently.Students’ practical ability has also reached a good exercise.

programmable gain；broadband amplifiers；voltage controlled amplification；high-passfiltering

2016-06-01；修改日期:2016-12-27

以卓越工程师为目标驱动的电子信息类专业实验课程改革(2014-ms035)。

赵同刚(1972-)，博士，教授，主要从事电磁场与微波技术方面的研究。

TN82，G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.003