全差分可控增益射频宽带放大系统

杨光义， 魏天奇， 李杰潘， 雷 灯

(武汉大学 电子信息学院，武汉 430072)

0 引 言

随着现代电子和通信技术的迅猛发展，通信系统的工作频率越来越高，频带也越来越宽，射频电路变得举足轻重，尤其在无线通信、雷达探测和航空航天等高科技领域，射频电路正在发挥着越来越重要的作用[1]。相比于低频放大器，射频宽带放大器处于通信系统接收机的最前端，通常面临信号弱、噪声大、频率高以及幅值跨度大等严峻挑战，越来越成为决定系统性能的瓶颈所在[2]。为此，基于全差分放大和阻抗控制的思想[3]，本文设计了一套可控增益射频宽带放大系统，能够实现40～130 MHz宽范围内的射频小信号无失真放大。

1 系统相关原理

1.1 全差分放大器原理

全差分运算放大器是一种差分输入/差分输出放大器，除了具有良好的共模干扰抑制能力外，同时能够消除奇模干扰中的偶次谐波，还具有动态变化范围大和有效抑制零点漂移等优点[4]。当输入信号很小，同时信噪比很低的场合，全差分运算放大器的优越性尤为突出。图1给出了单端运算放大器与全差分运算放大器电路模型。

(a) 单端运算放大器

(b) 全差分运算放大器

图1 单端运算放大器与全差分运算放大器

图1中，假设运算放大器正常输出不存在截止失真，即uo+、uo-或uo能够从umax变换到umin，则单端运算放大器输出电压uo的动态范围为：

uop-p=umax-umin

(1)

全差分运算放大器输出电压uod的动态范围为：

Δuod=uo+-uo-=2(umax-umin)=2uop-p

(2)

可见，全差分运算放大器输出电压动态范围是单端运算放大器输出电压动态范围的两倍。

将全差分运算放大器输出信号展开为统一的形式[5]：

uo+=a0+a1(ui-)+a2(ui-)2+a3(ui-)3+

a4(ui-)4…

(3)

uo-=a0+a1(ui+)+a2(ui+)2+a3(ui+)3+

a4(ui+)4…

=a0+a1(-ui-)+a2(-ui-)2+a3(-ui-)3+

a4(-ui-)4…

(4)

联立(3)(4)得：

uod=uo+-uo-=2a1(ui-)+2a3(ui-)3…

(5)

式中，a0、a1、a2、a3、a4…为常数。可见，全差分运算放大器不仅能够有效地消除共模干扰(如电源噪声通常表现为共模干扰)，而且能够消除奇模干扰中的偶次谐波。

设全差分运算放大器的开环增益为α(f)，则[6]：

uo+-uo-=α(f)(up-un)

(6)

un和up的两点的电压表达式为：

ui+(1-β1)+uo-β1

(7)

ui-(1-β2)+uo+β2

(8)

将式(7)、(8)代入式(6)，得到输入/输出间的关系为：

uo+(1+α(f)β2)-uo-(1+α(f)β1)=

α(f)[ui+(1-β1)-ui-(1-β2)]

(9)

在实际应用中，一般β1=β2=β，故电压传递函数：

(10)

式中:uid=ui+-ui-为输入差模电压;uod=uo+-uo-为输出差模电压。

理想情况下α(f)→∞，即α(f)β>>1，则式(10)简化为：

(11)

通过外接电阻R1、R2、R3和R4，可以配置全差分运算放大器的增益。

另外，全差分放大器还为很多应用场合提供了一种将单端信号转换成双端差分信号的有效途径[4]，如图2所示。

图2 利用全差分放大器将单端信号转换为差分信号

为了防止共模电压UOCM在差分输出端产生失调电压，全差分放大器两个输入端的净阻抗必须相等，即：

R3=R1+RS

(12)

式中，RS为输入信号ui的源阻抗。

同时，反馈电阻值的计算公式为：

R2=R4=GR3=G(R1+RS)

(13)

式中，G为放大器增益。

为了降低系统功耗，同时降低系统的复杂程度，可以利用传输线变压器代替全差分放大器，实现单端信号转换成双端差分信号的功能。

1.2 系统阻抗控制

为了让信号在传输过程中不发生反射等现象，保证信号的完整性，尽可能降低传输损耗，需要在设计电路时充分考虑阻抗匹配[7]，同时考虑印刷电路板(PCB)的传输阻抗[8]。

为了使系统具有更好的兼容性，灵活地应用于其他场合，系统以50 Ω为特性阻抗进行设计，包括无源滤波器输入/输出阻抗、各级放大器输入/输出阻抗和PCB中高速信号传输线的特性阻抗均设计为50 Ω。如图3所示为高速信号传输的微带线模型[9]，W为微带线宽度，h为介质基片厚度，εr为介质的相对介电常数。

图3 微带线模型

实际应用中，微带线的特性阻抗Z0可用下式计算：

(14)

式中:εre为等效相对介电常数;

以4层PCB为例，板层分布为“信号层-地层-电源层-底层”，如图4所示。信号线与地层构成微带线，取εr=3.91，W=8.5 mil，h=5 mil，代入式(14)得特性阻抗：

Z0=56.73 Ω

(15)

印刷电路板制造加工时，εr和W可以根据阻抗测试仪实际测得的特征阻抗值调整，直到满足Z0=50 Ω的要求。在工程实践中，为了避免繁琐的计算，利用PCB阻抗分析辅助工具SI9000，设置好计算模型和参数后，可以非常方便的求出特性阻抗[10]。

图4 PCB板层及参数设置示例

2 系统方案设计

2.1 系统组成

全差分可控增益放大系统主要由输入信号调理、全差分放大、信号输出、控制和电源等模块组成，系统组成框图如图5所示。

图5中，输入信号调理模块由无源低通滤波器和单/双转换器组成，完成阻抗匹配、低通滤波和单端信号转换为双端差分信号的功能。全差分放大模块包括固定增益放大和可控增益放大两部分，固定增益放大和可控增益放大采用两级全差分放大器，确保系统有足够大的增益。信号输出模块由双/单转换器、无源带通滤波器和射频功率放大器组成，双/单转换器将全差分放大模块的双端差分信号转换为单端信号，经无源带通滤波器滤波，最后经射频功率放大完成信号输出。控制模块主要由低功耗单片机MSP430F6638、LCD液晶屏、键盘和D/A转换器TLV5616组成，单片机MSP430F6638从键盘获取设置信息，驱动D/A转换器TLV5616输出相应的电压信号，从而控制可控增益放大器实现系统增益调节，同时LCD液晶屏实时显示系统工作状态信息。电源模块完成DC/DC转换，产生系统正常工作所需的直流电压。

图5 系统组成框图

2.2 系统增益分配

由于受到运算放大器增益带宽积(GBW)的限制，单级射频放大器往往不能像低频放大器那样设置很高的增益。为了在足够宽的频带内有足够大的增益可调范围，同时保证系统的稳定性，系统采用多级放大器级联，各级增益分配如图6所示(同1.2节所述，各级放大器输入/输出阻抗均设计为50 Ω)。

图6 系统各级增益分配

为了提高系统稳定性，合理分配各级增益，每一级放大器均留有适当的裕量。图6中，固定增益放大采用ADL5565全差分放大器，增益设置为12 dB，可控增益放大采用ADL5330可变增益全差分放大器，增益变化范围设置为-20～18 dB，双/单转换器选用ADT2-1T-1P传输线变压器，增益设置为6 dB，功率放大选用RF2317射频功率放大器，增益设置为15 dB。因此，理论上系统可控增益范围为5～81 dB。

3 系统实现

由于本文的重难点在于射频信号处理，限于篇幅，本文仅对输入信号调理模块、全差分放大模块和信号输出模块展开。控制模块以低功耗单片机MSP430F6638为核心，上电初始化后不断扫描键盘，当键盘有输入时，MSP430F6638获取键盘信息，控制D/A转换器TLV5616输出相应的电压信号，控制压控增益放大器的放大倍数，同时在LCD液晶屏上显示系统工作状态信息，具体电路图略。电源模块可以参考文献[11]中电源部分的设计思路，本文不再展开。

3.1 输入信号调理模块

输入信号调理模块由无源低通滤波器和单/双转换器构成，具体电路如图7所示。无源低通滤波器位于系统最前端，主要完成阻抗匹配和滤波的功能。为了保证通频带内有平坦的幅度响应，同时考虑滤波效果和设计复杂度，系统选用7阶巴特沃斯无源低通滤波器。单/双转换器选用ETC1-1-13传输线变压器，特性阻抗50 Ω，初次级变比1∶1，工作频率范围4.5～3 000 MHz。

利用巴特沃斯π型LC低通滤波器在线计算工具[12]，设截止频率fc=300 MHz，特性阻抗Z0=50 Ω，滤波器阶数n=7，得到：L1=L3=33.077 nH，L2=53.052 nH，C1=C4=4.722 pF，C2=C3=19.119 pF。结合电感和电容的标称值，图7中的元件取值为：L1=L3=33 nH，L2=51 nH，C1=C4=4.7 pF，C2=C3=20 pF。与低频滤波器不同的是，为了达到理想的滤波效果，除了选取正确的参数外，高频器件的选择是非常讲究的。系统选择LQW系列高Q值绕线型贴片电感。

图7 输入信号调理模块电路图

3.2 全差分放大模块

全差分放大模块是系统信号链的重点，由固定增益放大和可控增益放大两部分组成，如图8所示。固定增益差分放大器ADL5565具有6 GHz超高动态范围、出色的低噪声和失真性能。可控增益放大器ADL5330工作频率范围为10 MHz～3 GHz，可在60 dB范围内提供精密线性增益控制[13]。固定增益放大和可控增益放大均采用两级级联，且两级电路配置一样，图8均只展示了其中一级。

图8中，ADL5565和ADL5330均采用+5 V单电源供电，外接+2.5 V偏置电压。为了与固定增益放大器ADL5565输入阻抗匹配，利用电阻R1、R2和输入信号调理模块中的单/双转换器ETC1-1-13构成匹配网络，保证信号传输的完整性。D/A转换器TLV5616在单片机MSP430F6638驱动下，输出0.45～1.28 V的控制电压，通过可控增益放大器ADL5330的Pin24控制增益变化。为保证系统可靠工作，系统各个芯片供电处均采用NFM18PC104R1C3片状三端子电容器滤波。

3.3 信号输出模块

信号输出模块由双/单转换器、无源带通滤波器和射频功率放大器组成，具体电路如图9所示。

无源带通滤波器主要承担滤波和带宽控制的功能。为保证通带外信号有效地衰减，兼顾电路复杂度，系统选用7阶椭圆无源带通滤波器[14]。利用滤波器辅助设计工具Filter solutions[15]，设置无源低通滤波器截止频率为200 MHz，无源高通滤波器截止频率为30 MHz，二者级联构成无源带通滤波器，通带波纹设置为0.1 dB，源、负载阻抗均设置为50 Ω。

图8 全差分放大模块电路图

图9 信号输出模块电路图

4 系统测试

系统测试在实验室环境下进行，测试仪器清单如表1所示。

表1 测试仪器清单

4.1 通频带及通带平坦度测试

设置输入信号幅值ui=5 mV，系统增益调整为最大值，用示波器观察输出信号，记录在表2中，根据表2绘制信号频率f-输出电压uo/增益Gain曲线如图10所示。

分析图10可知，在40-180 MHz的频带内，系统输出电压均大于2.00 V，即增益达到52 dB以上。在75～105 MHz频带内增益起伏小于1 dB，在40～130 MHz频带内增益起伏小于3 dB。且当输入信号频率f≤22 MHz或f≥260 MHz时，系统增益均不大于20 dB。

表2 通频带及通带平坦度测试表

图10 信号频率-输出电压/增益曲线

4.2 系统可控增益测试

分别设置输入信号为ui=20 mV/f=75 MHz和ui=20 mV/f=90 MHz，调整系统增益，用示波器观察输出信号，记录在表3和表4中，根据表3和表4绘制预置增益-输出电压和预置增益-实测增益曲线，如图11所示。

表3 增益步进测试表(f=75 MHz)

表4 增益步进测试表(f=90 MHz)

(a) 预置增益-输出电压曲线

(b) 预置增益-实际增益曲线

从图11(a)可以看出，对于75 MHz和90 MHz两种不同频率的输入信号，在不同的预置增益下，输出信号的幅值曲线几乎重合，说明系统的增益是非常稳定的。从图11(b)可以看出，系统在增益范围12～40 dB之间调节时，实际增益与预置增益之间的误差均小于1.0 dB，反映了系统的良好性能。

5 结 语

本文设计了一套全差分可控增益射频宽带放大系统，介绍了全差分运算放大器工作原理，详述了系统进行阻抗控制的设计方法，给出了关键模块的完整电路和详细参数。实验结果表明，系统能够在40～130 MHz宽频带范围内实现可控增益调节，最大增益52 dB，具有精度高和稳定性好等特点，方便应用于各种信号放大处理场合，具有广泛的应用前景。在此，特别感谢武汉大学设备处的大力支持。