射频宽带放大器的增益控制设计与研究

�t�Y۲����"http://www.performandhealth.com/t/fangan/" target="_blank" class="keylink">方案论证与比较

1.1  MCU选择

方案一：选择STM32F103RBT6单片机。STM32F103

RBT6具有2 个SPI、1 个USB 、128 KB的FLASH、20 KB的SRAM 、3 个串口、1 个CAN、2 个12位的 ADC、RTC 、51个可用 I/O 脚，资源丰富，但结合本系统所用到的资料综合来看有点大材小用。

方案二：选择MSP430G2553单片机。MSP430系列单片机是美国德州仪器1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。工作电压范围1.8～3.6 V，5种低功耗模式，具有两个16位的定时器、16 KB的FLASH、512 B的RAM、16个I/O。价格较低，资源丰富，且易于控制。经过分析选择方案二。

1.2  宽带放大器选择

方案一：OPA690对单位增益稳定有很大作用，属于电压反馈运放，GBW大概为500 MHz，压摆率为1 800 V/μs，不过其供电电压范围很低，属于低电压的运放，单电源供电时5～12 V，双电源只有正负2.5 V到正负5 V，常用于高速成像通道，ADC缓冲器，便携式仪器等。

方案二：电压型反馈放大器的带宽随增益增加而急剧降低，压摆率常常不足，而电流反馈放大器可以弥补上述不足。OPA695是高增益高带宽的电流反馈型的运算放大器，拥有极高的带宽，压摆率为4 300 V/μs，并且拥有极低的输入噪声，可很好的隔离噪声。经过分析选择方案二。

1.3  可调增益放大器选择

方案一：VCA822是一款直流耦合型宽频带压控增益放大器，按V/V线性变换，最大工作频带宽度可达150 MHz。放大器增益由控制电压和外围电阻阻值共同决定，需双极性电压控制（-1～1 V），并且容易自激。

方案二：LMH6502是一款宽带直流耦合差分输入，按对数线性变化的增益可控的高速电流反馈型运放，可直接驱动一个低阻抗负载。增益调节范围超过70 dB，低功耗300 mW并可达到130 MHz的带宽且只需单极性电压（0～2 V）进行控制且不易产生自激。综合考虑选择方案二。

1.4  DAC控制可调增益放大器调节方式

方案一：STM32F103ZET6内部含有3个12位DAC，可实现高精度调控，但电流较小，驱动能力较差。

方案二：DAC7512是具有内置缓冲放大器的低功耗12位数/模转换器。其接口与SPI接口兼容，因而可与MSP430G2553单片机直接连接而无需任何其他接口电路。其可选择供电电源来作为参考电压，具有很宽的动态输出范围，在5 V供电电压下的功耗仅为0.7 mW。综合考虑使用方案二。

2  理论分析与计算

2.1  宽带放大器设计

本系统中使用了OPA695和LMH6502。OPA695为电流反馈型运放，拥有极高的增益和带宽，可有效隔离噪声。LMH6502为可调增益放大器，可实现-40～20 dB的宽范围调节。本系统共采用三级电路，第一级为OPA695构成的高增益放大器，增益为23 dB;第二级通过单片机控制高精度的DAC7512来精确地驱动LMH6502来调节增益，使其增益可调范围在-40～20 dB;第三级通过OPA695进行总的放大，增益为22 dB，足以满足系统设计要求。

2.2  频带内增益起伏控制

造成频带内增益起伏的原因很多，其中包括运放幅频响应不平坦及供电电源不稳定等。为了防止因为放大倍数过高而使起伏变大，所以我们将电路增加级数，将每一级的放大倍数变小，这样可以满足带宽及增益要求且减小频带内增益起伏。

2.3  射频放大器稳定性

本系统为射频宽带放大器，频率很高，并且放大倍数较大，为不影响带宽，采用多级级联，但是系统稳定系易受影响，容易产生自激现象。为了提高放大器的稳定性，必须要将供电电压滤波，否则容易混入高频噪声，这里们通过屏蔽盒进一步对外界影响进行巩固。系统的稳定性主要取决于系统的相位裕量，所以必须要留有适当的相位裕量。在本系统中，将高频信号部分全部采用双面板印制，并且采用铜板大面积接地，减小接地回路，电容电阻全部采用贴片封装，减小元器件影响。

3  电路与程序设计

3.1  系统组成

系统总体框图如图1所示。

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图1 系统总体框图

3.2  LMH6502增益可调模块

LMH6502的直流偏差有两部分：共模Offset和差模Offset。如图2所示，将Vin接GND，然后在Vg上输入一个方波（低电压0 V，高电压2 V），这样增益就会在最大和最小之间变化。差模Offset会随着增益放大和缩小，共模Offset不变。这样就会看到方波。调节R10可以将方波部分减小到零，调节R14可以将方波下方的直流部分减小到零。

由于Offset会随增益变化，所以这个调节方法不能将Offset完全消除，只能最大抑制。不过高频电路中常采用AC耦合，所以小的Offset不影响电路性能。另外，需要注意的是共模电压要正确，共模电压超出范围会导致Offset异常。

4  测试方案与测试结果

测试仪器包括：SP2271型数字超高频毫伏表;SP1501高频小信号发生器;MSO⁃X3052A示波器;直流稳压电源;负载电阻R=50 Ω。

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图2 LMH6502可调增益放大器图

4.1  测试方案与测量结果

测试方案：输出级加上50 Ω负载，将输入端短接，测量输出端噪声峰峰值，调节放大器增益，测量不同带宽，不同增益时的放大器的幅频响应。

（1） 通频带增益测量测试，如表1所示。

结论：由上表可知，频带内增益特性均达到要求。

（2） 最大电压增益及最大增益起伏测试，如表2所示。

表2 通频带增益起伏特性

（3） 输出电压噪声测量。将增益设置为60 dB，输入端短路到地，记录输出端电压峰-峰值VONPP=93 mV。

（4） 放大器输入阻抗及负载的测量。

电路的输入阻抗为50.3 Ω，电路的负载电阻为49.2 Ω。

4.2  测试结果分析

由测试结果发现本系统基本满足题目中各项要求，系统能够完成各项指标主要得益于选择器件的准确性。选择高增益高带宽运放和可调高增益可衰减器件LMH6502，并且采用多种抗干扰的措施，如使用了SMA头作为输入级，使用屏蔽盒进行信号屏蔽，严格遵循芯片厂商的布线意见。

根据测试结果可知放大器的最大增益，最小输入电压，最大输入电压，最大输出噪声，带负载能力等都达到了设计的要求。在进行个别项测试时由于空气中以及各种仪器中存在的噪声比较大，所以对前级放大电路做了屏蔽。

5  结  语

本设计是基于单片机MSP430G2553的射频宽带                      放大器，选择了高增益宽带运放OPA695和可控增益放大器LMH6502，通过单片机控制可实现0～60 dB增益可调，并且满足了0.3～100 MHz频率内具有很好的平坦性。从测试结果来看，验证该系统可行性和实用性。

参考文献

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