射频宽带放大器-高超组(共15页).docx

精选优质文档-倾情为你奉上射频宽带放大器学 校：西安交通大学作 者：高 超 关雁铭 刘 锦指导教师：张鹏辉 王中方 张翠翠摘 要：本作品以德州仪器（TI）公司所生产LMH6518和THS3202为主要器件，设计并制作了060dB全增益范围内1dB通频带为300kHz150MHz、3dB通频带为300kHz200MHz以上的宽带放大器。放大器输入、输出阻抗均为50。在输出端接50负载时，频带300kHz150MHz范围内，最大不失真输出电压有效值可达1.1V，150MHz带内波动为0.81dB，且最大增益大于60dB。实测结果表明，该作品成功实现了题目要求的功能，多项指标优于题目要求。关键词：宽带放大；程控增益；LMH6518Abstract：This radiofrequency broadband amplifier is designed based on Texas Instruments (TI) amplifiers LMH6518 and THS3202, which has a programmable gain over 060dB with a 1dB bandwidth of 300kHz to 150MHz, and a 3dB bandwidth of over 200MHz, having an input and output impendence designed to be 50 ohms. The maximum output voltage without distortion is 1.1Vrms with a 50 ohm load and within 1dB bandwidth. The maximum gain is over 60dB with an in-band gain error less than 0.81dB. Measurements suggested that our device has reached all requirement of the subject, and some indexes even surpass the criteria the competition demands.Keywords：Broadband Amplifier, Programmable Gain, LMH6518 一、系统总体方案与子模块设计1、系统总体方案设计根据题目要求，系统要在宽频带范围内实现增益可调，系统级按照放大器的组成形式可以有两套方案：方案一：使用分立元件构成放大器。使用分立元件设计放大器的优点在于系统噪声低，且各项指标可以根据特殊要求设计。但分立元件放大器失真较大，而且增益不便于调节，各元件参数计算非常复杂，不便于调试，PCB布线稍有不慎就会引入大量分布参数。方案二：使用集成运算放大器。集成运算放大器体积小、外围电路简单，并且现在部分产品带宽宽、增益准确、带负载能力强。对于本题目的要求，使用分立元件难以达到较低的失真度，且靠调节静态工作点难以达到较高的增益准确度。因此我们使用集成运算放大器来完成设计任务。由于一般型号的可变增益放大器都无法达到060dB可调，因此放大器至少为两级。在放大器类型上可以选择两级均是可变增益放大器，由控制系统分别控制；也可以选择前级为可变增益放大，后级为固定增益放大，并使用继电器控制固定增益放大器的接入达到060dB全增益范围可调。比较之下，前级可变增益、后级固定增益的结构易于控制，成本较低，因此我们采用这种结构进行系统的设计。最终设计的系统框图如图1.1所示。图1.1 系统结构框图2、各个分模块设计方案比较前文所述，对于常用的可调增益放大器，可调增益范围一般情况下不超过40dB，因此设计时我们设定可变增益放大器增益为040dB范围内，后级固定增益放大器总增益设置在20dB左右，在增益调节范围小于40dB时断开后级放大器，大于40dB时再将其接入，同时降低前级放大器增益，便可满足整体增益060dB可调的要求。（1）、可变增益放大器设计方案方案一：采用TI公司VCA822压控增益放大器。该放大器040dB连续可调增益范围内带宽可达150MHz。方案二：采用TI公司LMH6518宽带程控增益放大器。该放大器在040dB可调增益范围内带宽可达900MHz，噪声因数仅为3.8dB，内建不同截止频率的程控滤波器。但芯片功耗较高，须做好散热措施。对比之下方案二的放大器性能更加优越，且第一级放大器的噪声将对整个放大器的噪声性能起到极大的影响，而LMH6518的噪声性能和带宽均远远优于VCA822，因此前级可变增益放大器我们选用LMH6518.（2）、固定增益放大器设计方案根据题目发挥部分的要求，输出在60dB电压增益、50负载下要达到1V有效值，对运算放大器的输出摆幅和带宽提出了一定的要求。因此在运放选型上有如下选择：方案一：采用TI公司THS3202电流反馈型双运放，带宽可达2GHz并且20负载情况下能够输出±115mA的电流。方案一：采用TI公司OPA657电压反馈运放，增益带宽积可达1.6GHz，能够输出±70mA的电流。根据数据手册， OPA657单级20dB增益时大信号带宽降至180MHz，留给带宽拓展的空间较小。而电流模运放理论上带宽与电压增益无关，且输出能力强，能够直接驱动负载，因此我们选择THS3202作为后级固定增益放大器。（3）、增益切换电路设计方案增益切换电路根据实施切换操作的器件不同我们有两套方案：方案一：采用TI公司TS5A3157单刀双掷模拟开关，有300MHz带宽与10导通电阻，适用于电压低于5V的电路。方案二：采用小型继电器直接切换。相比之下特定的模拟开关高频性能可以做到很好，但限于所准备器件并且TS5A3157不易购买，而型号为B3GA4的表贴型继电器其数据手册标明100MHz情况下对信号幅度的影响小于0.1dB，基本可以忽略不计，因此我们采用方案二完成增益切换电路。（4）、控制电路设计方案由于该题目控制内容比较简单，不需复杂的数据处理与运算，因此MCU我们采用STM32F103VET6，采取开环控制，使用键盘输入增益并通过LCD显示出当前增益值即可。二、理论分析与计算1、放大器的噪声分析放大器的噪声来源主要是电路电阻中的热噪声和输入信号电压的噪声或电流在电阻上产生压降的等效噪声。由于其随机性强，不便于定量计算。对于多级放大电路，可以通过控制前后级放大器的增益的方式来控制噪声。根据器件选型，LMH6518和THS3202的输入电压与电流噪声谱密度如图2.1和图2.2所示：图2.1 LMH6518的电压电流噪声功率谱密度图2.2 THS3202的电压电流噪声功率谱密度噪声功率为对电压或电流频谱密度的平方积分：PNoise=0f(V_spe_dens)2df （1）LMH6518的内部结构为前置放大à衰减à输出放大，其中前置放大增益与衰减为可程控。从图中可以看出，在题目要求的通频带（300kHz100MHz）范围内，LMH6518在给定频点的噪声与芯片内部前置放大器的增益有关，增益越高、衰减量越小则噪声越小。因此程序设计时注意优先设置前置放大器为高增益将有效降低第一级放大器的噪声。从电流噪声功率谱密度分析，LMH6518的噪声要远低于THS3202，因此选择LMH6518作为前置放大器是合理的。实际上在设计中，带宽的控制与噪声功率大小也密切相关。带宽越宽对应噪声越大，系统设计时应在这两个指标中折中。根据数据手册，LMH6518的输出放大器之后设置有程控滤波器，截止频率可设置为20MHz至全通。在本题的设计中我们采用截止频率为350MHz的滤波器，并在后级增加RC低通滤波网络，基本平衡了噪声指标和带宽的需求。2、输入输出阻抗与衰减电路（1）、输入输出阻抗题目要求系统的输入和输出阻抗都为50，对于交流信号第一级运算放大器输入端使用50电阻连接到地，如图2.3所示。输出阻抗在输出级放大器输出端串接50电阻即可，电路详见图2.6.图2.3 输入电阻交流等效（2）、衰减器的设计由于放大器总增益较高，达60dB，故在高增益段频谱仪扫频信号输出需要衰减。为此我们制作了20dB衰减器，采用Pi型电阻网络，电路图如图2.4所示：图2.4 20dB衰减器电路原理图衰减20dB即为10倍，两端电阻按照如下计算（Z0为需要匹配的阻抗，K为衰减量）：R=Z0×K+1K-161.1（2）中央电阻按照如下计算：R=Z02×K-1K=247.5（3）按照上图取值，实际衰减为-19dB，与-20dB设计误差1dB，特性阻抗为50.5，使用扫频仪观察幅频特性良好，可以使用。3、放大器带宽与增益的分析（1）、放大器带宽需求根据系统方案的选定与芯片选型，LMH6518数据手册标称在全增益范围内该芯片的-3dB带宽均为900MHz，远高于题目发挥部分的要求。而依照发挥部分的要求，系统最大电压增益为60dB，但LMH6518的可控增益范围为40dB，故后级固定增益放大器应至少有20dB即10倍的增益。THS3202为电流模运放，根据该芯片数据手册，增益20dB、Rf=200时带宽可达550MHz，能够满足设计需求。（2）、放大器增益的分配对于LMH6518，其数据手册标明的结构如图2.5所示：图2.5 LMH6518结构框图从图中容易看出LMH6518为全差分放大器，其内部结构为前置放大（10dB、30dB）à衰减（0dB20dB）à输出放大（8.86dB）。手册里标明该芯片实际可控增益范围为-1.1638.8dB，不是严格040dB，故后级固定增益放大器一定需要对前级的增益进行补偿，并将差分信号转为单端信号。同时，根据题目要求，系统应具有50的输出阻抗，并且所有参数在50负载下测量。输出电路如图2.6所示：图2.6 输出端电路及其等效由于47nF电容在高频区可以视为短路，则R1与R2可由戴维宁等效为后面的形式，则从负载前看入的等效输出电阻为：RO=R1R2R1+R249.7（4）U'=R2R1+R2U0.975U（5）则最终UO相对于U的衰减量A(dB)为：A=20logRLRO+RLU'U-6.21 dB（6）因此，对于低增益段放大器，应对这个衰减予以补偿。为避免芯片工作在临界状态，我们将前级LMH6518的可调增益范围设置为 -1.1636.8dB，并将THS3202双运放（A与B）的前一个运放与LMH6518级联共同组成低增益段放大器。以题目要求0dB起调校准，可见该级THS3202-A应具有7.37dB的增益，可以取反馈电阻与输入电阻为510与220，实际增益为7.30dB，误差0.07dB，低增益段增益可调范围为038dB，符合要求。对于高增益段放大器，根据题目要求最高增益60dB，高增益段放大器应具有22dB的增益。该级由THS3202-B同相比例器组成，取反馈电阻与输入电阻为240与20，实际增益为22.28dB，误差0.28dB，符合要求。三、系统电路设计1、放大器电路设计根据放大器选型与理论计算结果，放大器分为低增益段放大器与高增益段放大器两部分。放大器电路设计如图3.1、3.2所示，图中运算放大器部分退耦电容已省略：图3.1 低增益段放大器电路原理图图3.2 高增益段放大器电路原理图本电路由于工作频率较高，布线的时候经过了仔细考虑。所有运算放大器的正负电源均串入了磁珠，并且使用了101至106的无极性电容作为运算放大器的退耦电容。差分输出的放大器尽可能使用等长的信号线，增加顶层到底层大面积铺地的过孔数量以降低地线的电阻，消除自激振荡的风险。由于LMH6518功耗高达1.1W，又是小型四方无引脚封装，因此稍有不慎就会因过热而烧毁。对此我们在PCB设计时底层使用了较大的散热片，通过与QFN封装底层PowerPad的连接保证芯片热量快速经散热片散失。而后级THS3202作为功率输出级，输出电流较大，同样容易发热，因此我们将加工过的铜柱用导热胶粘接在芯片表面加强散热。经测试，系统长时间连续工作没有过温现象，工作稳定。2、增益切换电路设计增益切换电路为继电器切换，其电路图如图3.3所示：图3.3 增益切换电路原理图3、电源电路设计LMH6518为单5V电源供电，THS3202我们采用±5V双电源供电，由于题目无功耗限制，故我们采用了纹波较小的线性稳压器7805与7905，通过直流稳压电源输出±8V经降压后供电路工作。电路部分原理图如图3.4所示：图3.4 电源电路原理图四、系统测试方案与结果1、测试仪器(1)、茂迪LPS-305型数控线性直流稳压电源；(2)、LeCroy 42Xs-A 400MHz双通道示波器；(3)、普源DSA1030频谱分析仪；(4)、普源DG4162 DDS函数信号发生器。2、测试方案与测试结果由于题目发挥部分要求带宽范围为300kHz至100MHz，由于示波器带宽400MHz，频谱仪带宽为9kHz3GHz，为了保证测量结果的准确性，我们经过多次测试，选取了10MHz作为高低频区的划分点，对高低频区的幅频特性采用不同的方式进行测量。(1)、输出噪声的测量：将输入端通过50负载接地，通过示波器观察并测量输出信号电压有效值，调节增益，记录输出噪声有效值变化。实际测量在60dB增益、400MHz示波器观察下噪声峰峰值为198mV，相比发挥部分偏大。噪声图像详见附录图A2.1.(2)、幅频特性的测量：低频区：用信号源产生不同频率的信号送入放大器，用示波器观察输出波形，计算得出电压增益并计算误差。我们选择测试频点为300kHz与1MHz。高频区：使用频谱仪在5MHz至350MHz范围内扫频，得到幅频特性曲线，使用光标获得不同频点的增益。我们在5MHz至350MHz频带内取10M、20M、50M、80M、100M、150M、200M、300MHz这8个频点进行增益测量。由于频谱仪输入幅度有限且放大器增益较高，因此需要使用衰减器。但衰减器的引入无论外接还是频谱仪内置均会影响放大器的幅频特性，为了最大程度保证测试的准确性，我们对不同的增益段使用了不同的衰减器，使所使用的衰减器衰减量尽可能小。对030dB增益区间使用单级外接20dB衰减，3050dB区间使用两级外接20dB衰减，5060dB区间使用两级外接20dB衰减加10dB频谱仪输入衰减。10个频点的增益线性度如表4.1所示（详细测试数据见附录表A2.1表A2.3、图A2.2）：表4.1 测试频点增益线性度频点/MHz0.3110205080100150200300线性度1.0000 1.0000 0.9999 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 0.9999 0.9981 0.9917 由表4.1可见，所有测试频点增益线性度很好。(3)、带内波动的测量：根据高低频段幅频特性的测量结果，取同一增益设置下各个测试频点中增益的最大值与最小值作差，记录差值即为通带内波动值。40dB、60dB时300kHz至80MHz、150MHz、200MHz、300MHz的带内波动如表4.2和表4.3所示（详细测试数据见附录表A2.4）：表4.2 40dB带内波动频点/MHz80150200300带内波动/dB0.590.961.712.22表4.3 60dB带内波动频点/MHz80150200300带内波动/dB0.810.812.475.62可见，系统在40dB增益范围内1dB带宽为150MHz，3dB带宽大于300MHz；40dB60dB增益范围内由于继电器将后级放大器接入，1dB带宽保持为大于150MHz，3dB带宽降至200MHz与300MHz之间，均远超出发挥部分的要求。(4)、输出摆幅的测量：题目要求输出摆幅能够达到1V有效值，我们在1MHz、10MHz、50MHz等三个频点在60dB增益下使用示波器进行观察与测量，输出摆幅均能够达到1V有效值且无明显失真（测量截图详见附录图A2.4）。五、设计总结本题目的制作中所采用的核心器件为德州仪器（TI）公司宽带程控增益放大器LMH6518以及高速电流模运算放大器THS3202。在设计过程中，我们通过理论计算得到了合理的设计方案与芯片选型，并经过多种测试测量方法横向对比，不断调试，使系统在各个方面基本都超出了发挥部分的要求。由于系统频带很宽，3dB带宽高达200MHz以上，加之增益较高，使得系统噪声相对较大，可以通过适当牺牲带宽而降低噪声。根据测量的指标，系统性能较为理想，基本上比较成功地完成了设计任务。附录1、电路原理图图A1.1 电路原理图附录2、系统性能测试数据（1）、满增益输出噪声图A2.1 满增益输出噪声（2）、系统幅频特性表A2.1 030dB增益下幅频特性单级20dB衰减预设增益/dB测试频点/MHz0.311020508010015020030000.03 0.36 -0.01 -0.04 0.01 0.04 0.21 0.73 1.24 2.12 22.09 2.36 1.97 1.94 1.96 2.02 2.16 2.67 3.19 4.04 44.02 4.32 3.99 3.94 3.95 4.00 4.14 4.65 5.16 6.00 65.99 6.29 5.96 5.93 5.96 5.99 6.13 6.62 7.15 7.98 88.04 8.31 7.95 7.92 7.93 7.98 8.10 8.56 9.11 9.93 1010.04 10.31 9.93 9.91 9.92 9.95 10.08 10.58 11.10 11.91 1212.01 12.28 11.94 11.89 11.92 11.95 12.09 12.57 13.09 13.88 1413.97 14.25 13.91 13.90 13.90 13.94 14.07 14.56 15.09 15.90 1616.02 16.31 15.90 15.89 15.90 15.92 16.06 16.55 17.08 17.88 1817.97 18.27 17.89 17.88 17.90 17.92 18.05 18.55 19.09 19.89 2019.85 20.16 19.82 19.81 19.78 19.82 19.95 20.41 20.92 21.70 2221.85 22.12 21.83 21.80 21.78 21.81 21.94 22.41 22.90 23.65 2423.81 24.09 23.80 23.78 23.78 23.81 23.93 24.40 24.90 25.60 2625.77 26.13 25.77 25.78 25.77 25.80 25.93 26.39 26.90 27.54 2827.83 28.07 27.76 27.77 27.76 27.79 27.92 28.38 28.87 29.43 3029.84 30.08 29.75 29.75 29.74 29.77 29.89 30.35 30.84 31.31 表A2.2 3250dB增益下幅频特性两级20dB衰减预设增益/dB测试频点/MHz0.31102050801001502003003231.80 32.05 31.26 31.84 31.64 31.39 31.88 32.17 32.95 33.67 3433.81 34.02 33.24 33.85 33.65 33.40 33.87 34.18 34.93 35.60 3635.82 36.08 35.22 35.84 35.63 35.40 35.88 36.17 36.93 37.52 3837.76 38.02 37.21 37.80 37.61 37.40 37.88 38.17 38.92 39.43 4040.05 40.29 39.40 40.00 39.92 39.45 39.63 39.63 37.10 34.18 4241.89 42.18 41.32 41.95 41.81 41.33 41.48 41.49 38.94 36.00 4443.87 44.17 43.31 43.92 43.77 43.32 43.46 43.47 40.93 38.01 4645.93 46.19 45.30 45.97 45.79 45.32 45.46 45.46 42.93 39.98 4847.97 48.16 47.26 47.93 47.77 47.30 47.46 47.45 44.92 41.97 5049.96 50.19 49.24 49.92 49.75 49.26 49.43 49.44 46.90 43.93 表A2.3 5260dB增益下幅频特性两级20dB衰减+频谱仪10dB输入衰减预设增益/dB测试频点/MHz0.31102050801001502003005251.58 51.96 51.87 51.94 51.38 51.05 51.30 51.43 49.48 46.59 5453.58 53.99 53.89 53.92 53.39 53.05 53.30 53.40 51.44 48.48 5655.63 56.06 55.86 55.92 55.36 55.05 55.29 55.39 53.44 50.43 5857.65 58.09 57.83 57.91 57.34 57.04 57.30 57.37 55.41 52.32 6059.63 60.08 59.81 59.84 59.32 59.03 59.30 59.36 57.37 54.22 （3）、频谱仪测量的幅频特性曲线图A2.2 幅频特性曲线（4）、系统增益通带内波动表A2.4 全增益范围内通带内波动（dB）预设增益/dB通频带/MHz预设增益/dB通频带/MHz801502003008015020030000.080.771.282.16320.580.911.692.4120.080.731.252.10340.610.941.692.3640.060.711.222.06360.620.951.712.3060.060.691.222.05380.590.961.712.2280.060.641.192.01400.600.602.905.82100.040.671.192.00420.630.633.015.95120.060.681.201.99440.610.612.995.91140.040.661.192.00460.670.673.045.99160.030.661.191.99480.670.673.015.96180.040.671.212.01500.680.683.025.99200.040.631.141.92520.890.892.465.35220.050.631.121.87540.870.872.485.44240.030.621.121.82560.870.872.485.49260.030.621.131.77580.870.872.505.59280.030.621.111.67600.810.812.475.62300.030.611.101.57（5）、满增益输出摆幅图A2.4 1M、10M、50MHz下满增益输出摆幅专心-专注-专业