一种新型增益可控射频放大器的设计与实现

辽宁工业大学电子与信息工程学院 李万鑫 赵 新 徐源博 王亚君

1 引言

无线通信技术的飞速发展，尤其是射频微波通信技术的发展，使得对射频放大器的性能要求越来越高。射频放大器由于具有工作电压低、尺寸小等优点，广泛应用于移动通信、广播和雷达信号中，其工作特点是在宽频带内实现阻抗匹配，具有稳定的输出。为实现高频输出，本设计中采用T型电阻衰减网络，并由单片机控制模拟开关TS5A3166实现接入不同的衰减网络，实现不同的衰减倍数，进而实现增益的可调。

2 系统设计方案

本设计采用德州仪器公司生产的高速放大器OPA695、OPA847以及电流反馈型放大器ths3201以及由电阻构成的衰减网络组成增益可控射频放大器。系统前级由OPA695实现8倍固定增益放大，中间级由OPA847实现10倍增益放大，后级由ths3201实现10倍的放大。最后经由T型电阻衰减网络，由单片机控制模拟开关TS5A3166实现接入不同的衰减网络，实现0db – 52db的增益范围可调。由于本设计中只提供+12V单电源供电，因此电路中所需其他电源均需由此进行转换。具体方案框图如图1所示。

图1 系统方案框图

3 单元电路理论分析与计算

3.1 电压转换电路

图2 电压转换电路

根据题目要求使用单电源12V供电，为了保证高速放大器的稳定性，实现测试时正弦波输出电压有效值大于2V并减少噪声的影响，需采用正负对称的双电源供电，本设计采用极性反转芯片ICL7602实现-12V电压的输出，经过线性稳压芯片LM317、LM337输出±7.5V的电压提供给后级放大器THS3201。通过两个线性稳压器LM1117-ADJ实现±5V的输出提供给前级和中级运放，具体电路如图2所示。

3.2 固定增益电路设计

固定增益部分电路可以实现固定增益60db的放大。固定增益电路部分由前级运放OPA695实现8倍固定增益的放大，中间级OPA847实现10倍固定增益放大，最后在经过THS3201实现10倍固定增益的放大。

图3 各级放大电路图

OPA 695为德州仪器公司生产的一款高带宽的电路反馈型放大器，其在8倍增益时，理论带宽可以达到450MHz，适合作为放大电路的输入级，本设计采用同相放大电路，其反馈电阻选择为560Ω，接地电阻选择56.2Ω。

中间级采用OPA847芯片，设置放大倍数为10倍。OPA847是一款宽带超低噪声的电压反馈放大器，其可以实现高增益并保持相对较高的频率带宽，适合作为中间级对信号进行放大。

后级采用电流反馈型放大器THS3201，其具有1.8GHz的带宽增益积，可在供电电压为±7.5V时正常工作，从而实现较大的输出电压。

固定增益部分电路均采用同相放大电路，由于封装相同，因此可采用相同电路图，然后对反馈电阻进行适当调整即可，如图3所示。

3.3 电阻衰减网络

固定增益部分电路可以实现固定增益的放大，为了实现12db至52db的步进放大必须对放大后的信号进行衰减。本设计采用接入T型电阻衰减网络的方法，它可以在不改变等效阻抗的前提下实现对信号电压的衰减。采用单片机控制模拟开关TS5A3166实现接入不同的衰减网络。单极的等效电路如图4所示，图中的两个R1可以保证输入阻抗和输出阻抗等效阻值保持不变。

在本设计中输入阻抗Ri与输出阻抗Ro均为50Ω，即：

系统增益Av和信号衰减倍数AT的转换关系为：

系统增益Av和R1，R2的转换关系为：

根据以上推导，可以计算出各增益衰减下的阻值。具体衰减网络PCB板图如图5所示。

图4 单极T型衰减电路

图5 衰减网络PCB板图

4 系统测试

4.1 测试仪器

增益控制范围为12dB～52dB，增益控制步长4dB，增益绝对误差不大于2dB。采用高频信号发生器SFG-1013作为信号源，用数字示波器GDS-1062测量输出。

4.2 测试结果

放大器带宽测试：设置信号源产生有效值为20mV的正弦波信号，系统增益为60db时，调节输入信号频率在50MHz至160MHz范围内连续变化，观测输出信号是否有波动。在输入信号频带内找到输出信号幅度最大值和最小值，计算带内波动时所对应的频率，是否满足带宽要求。

带宽测试的结果如表1所示。

表1 放大器带宽测试结果

从表1可以看出，系统在40MHz-160MHz内，输出信号幅值最大时对应增益为41.8dB，输出信号幅值最小时对应增益为40.1dB，频带内增益起伏为：1.7dB小于2dB，且输出波形均无明显失真。

放大器电压增益测试：设置信号源产生有效值为10mV，频率为90MHz的正弦信号送入系统，系统输出端并联电阻到地作为负载。用示波器同时观察的输入信号和输出信号，通过单片机调节系统增益，在示波器上观测系统的输出信号。进一步减小输入信号有效值和频率，重复以上观测，记录数据。

根据测试方案，通过示波器观测，放大器电压增益测试结果如表2所示。

表2 电压增益测试结果

从表2可以看出，系统可实现0dB-52dB范围内增益可调，且输出波形均无明显失真，系统性能稳定。

5 结论

本增益可控射频放大器由固定增益放大电路和单片机控制的电阻衰减网络构成，可实现宽带宽输出，增益可调，步进可控，输出信号波形无失真，性能稳定，解决了传统射频放大电路增益和带宽受限的问题。

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