基于AVR的低噪声放大器设计

丁金林

(苏州市职业大学 电子信息工程系，江苏 苏州 215104)

基于AVR的低噪声放大器设计

丁金林

(苏州市职业大学 电子信息工程系，江苏 苏州 215104)

设计并制作一个3 MHz高性能低噪声放大器，以增益稳定、输入低噪声的电压反馈放大器OPA820作为前置放大器，采用二阶低通滤波器实现对3 MHz以上信号衰减，并经功率放大器进行电压及功率放大.为检测低噪声放大器的性能，将功率信号通过隔离、真有效值转换，用AVR单片机进行采集并经LCD显示放大器输出电压有效值和峰峰值.由测试数据可知，放大器的性能优良，电压增益大于40 dB，最大不失真输出电压峰峰值大于10 V，有很强的实用性.

低噪声放大器；噪声系数；AVR单片机

低噪声放大器，噪声系数很低，一般用做各类无线电接收机的高频或中频前置放大器、以及高灵敏度电子探测设备的放大电路.在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比.低噪声放大器能有效提高接收机的接收灵敏度，进而提高收发机的传输距离，提高整个通信系统的通信质量[1-2].一般情况下，低噪声放大器设计要求输入输出阻抗匹配、噪声系数尽量低、增益足够高、功耗尽量低和一定的线性度等.在保证低功耗的前提下，实现阻抗的共扼匹配和噪声匹配是低噪声放大器的一个设计难点[3-5].本文设计了基于AVR单片机的低噪声放大器，能实现对20 Hz到3 MHz的微弱信号进行不失真放大，并能对频带以外的信号很好地抑制.

1 系统结构及硬件实现

低噪声放大器的设计主要包括前置放大电路、滤波电路、功率放大、隔离电路、交直流转换电路、电源电路、控制器、LCD显示电路.其系统框图如图1所示.

1.1 电源电路

电源模块主要为后续电路模块提供低噪、稳定的电源，实现±12 V与±5 V的电压输出.电源电路原理图如图2所示，220 V交流电经过变压器降压、整流、滤波和稳压得到需要的直流电源电压.

1.2 前置放大电路

系统的前置放大电路选用TI的低噪声放大器OPA820进行信号放大，采用±5 V双电源供电，频带宽度达到240 MHz.该OPA820可提供的单位增益稳定，前置放大电路如图3所示，由它构成的电压反馈放大器具有非常低的输入噪声，实现输入微弱信号的前置放大.

1.3 二阶低通滤波器

前置放大输出的放大信号经过如图4所示的二阶低通滤波器，可实现＞3 MHz信号的抑制，并对前置放大输出信号具有一定的放大作用.

1.4 功率放大及隔离电路

系统的功率放大电路采用低噪声电流反馈型放大器THS3091芯片进行信号电压及功率放大，电路采用±12 V双电源供电，放大倍数约为20，其输出具有较强的驱动能力；为了减小测量电路对其影响，选用放大器LF356设计电压跟随器，实现前后级的隔离，电路设计如图5所示，其输出信号Vo4作为交直流转换的输入信号.

1.5 交直流转换电路

图6所示为交直流转换电路，采用±12 V双电源供电，插头J5为交流信号的输入，J6为直流信号输出，实现交流信号有效值到直流信号转换.AD536是一种新型的真有效值器件，其内部电路主要由4部分构成：求绝对值电路、平方除法器、镜像电流源、输出缓冲放大器，其转换误差不超过0.5%，通过调整滤波电容C16可减少转换平均误差.

1.6 控制器及显示电路

控制器选用增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器Amega16，其带有10位的A/D转换器，可满足系统A/D转换的精度要求，为了降低A/D转换的误差，通过U2产生稳定的2.5 V参考电压，进行误差校正，其电路如图7所示.J1为+5 V电源，J2为直流信号输入，ADC0、ADC1分别为两路A/D采集输入，J5为系统调试接口，J6为LCD12864液晶显示电路，S1为复位按钮，S2、S3为键盘响应信号，控制器通过内置的10位A/D转换进行采样，经数据处理通过LCD12864显示放大器的性能指标，并通过外部中断实现对键盘信号的快速响应.

2 系统软件设计

系统软件设计采用C语言[6]，模块化设计，包括主程序模块、系统初始化模块、A/D转换模块、数据处理模块、字符格式转换模块、液晶显示模块等，通过调用相应的模块实现.其主程序流程如图8所示.其中A/D转换模块采用扫描方式，连续采集三次取平均值，电压数据处理模块实现对A/D采集的数据值进行处理，计算低噪声放大器输出电压的有效值及峰峰值，通过格式转换模块转换为ASCII码，方便液晶显示.

3 测试方案与测试结果

由信号发生器产生不同频率的正弦信号，将测试表笔接入系统的信号输入端，在不同的频率点上分别输入不同幅度的正弦信号，示波器峰峰值示值为输出负载50 Ω时的电压值，LCD12864实现对输出电压的峰峰值与有效值的数字显示，测试结果如表1所示.

由表1分析可知，在固定的频率点上输入不同的电压，放大器输出最大不失真峰峰值为12.3 V，大于10 V；通过计算，在不同的频率点上放大器的电压增益可达40 dB，带内波动较小；在最大增益下放大器下限截止频率低于20 Hz，上限截止频率为3 MHz，放大器输出的噪声极小；在3 M频带以内，LCD数字显示峰峰值与有效值电压的测量数据较稳定、可靠，特别是在中频带数据误差范围小于2%.

图9是输入信号为1 kHz、65 mV时的测量结果，其中图9（a）为示波器显示波形，图9（b）为LCD显示放大器性能指标，示波器显示放大后的正弦波形稳定，放大器显示的峰峰值为9.19 V， 有效值为3.25 V，经计算电压增益为143.

表1 测试结果

4 结论

本文设计的基于AVR的低噪声放大器，可实现对20 Hz到3 MHz的微弱毫伏级信号的采集测量及显示，并对频带外信号具有很好的抑制作用.实验结果表明，设计的放大器电压增益大于40 dB，带内波动较小，通频带内LCD数字显示电压的峰峰值与有效值稳定、可靠.在固定的频率点上输入不同的电压，放大器输出最大不失真峰峰值大于10 V.特别是在中频带数据误差范围小于2%，系统具有较高的实用价值.

[1]BEVILACQUA A， NIKNEJAD A M. An ultrawideband CMOS low_noise amplifier for 3.1～10.6 GHz wireless receivers[J]. Journal of Solid_State Circuits， 2004， 39(12)：2 259-2 268.

[2]肖奔，邓爱萍.一种0.8 GHz～6 GHz CMOS 超宽带低噪声放大器设计[J]. 电子技术应用， 2008，34(12)：57-60.

[3]张福洪，罗晚会.无线接收机中低噪声放大器的设计与仿真[J]. 电子器件，2011，34 (1)：44-48.

[4]刘久文.RF低噪声放大器的仿真设计方法[J]. 北京航空航天大学学报，2000， 26(3)：259-262.

[5]池保勇，余志平，石秉学.CMOS射频集成电路分析与设计[M]. 北京：清华大学出版社， 2006.

[6]张军，宋涛.AVR单片机C语言程序设计实例精粹[M]. 北京：电子工业出版社，2009.

Design of Low Noise Amplifier Based on AVR Single-chip Microcomputer

DING Jin-lin

(Department of Electronic Information Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

A new design of 3 MHz high performance low noise amplifier (LNA) was proposed in this paper.Voltage feedback amplifier OPA820 which has gain stabilization and input low noise is used as preamplifier，second-order low pass filter is adopted to attenuate signal over 3 MHz，and magnify signal through power amplifier. In order to test LNA performance，after power signal isolation and true RMS-to-DC conversion，microcomputer gathers and process data，finally display RMS and peak-to-peak value by liquid crystal display.According to test data，designed LNA has fine performance，voltage gain is no less than 40 dB，and maximum undistorted output peak-to-peak voltage is higher than 10 V. It has strong practicability.

low noise amplifier；noise figure；AVR single-chip microcomputer

TN722.3

A

1008-5475(2012)03-0009-04

2012-02-11;

2012-03-28

苏州市职业大学创新基金资助项目(2011SZDCC01)

丁金林(1978-)，女，江苏泰兴人，讲师，主要从事自动化控制研究.

(责任编辑： 沈凤英)