2013年D题（本科）：射频宽带放大器 - 嘉立创EDA开源硬件平台

1.题目内容及要求
1.1内容
设计并制作一个射频宽带放大器。
1.2要求
1.2.1 基本要求
（1）电压增益 A v ≥20dB，输入电压有效值 U i ≤20mV。A v 在 0～20dB 范
围内可调。
（2）最大输出正弦波电压有效值 U o ≥200mV，输出信号波形无明显失真。
（3）放大器 BW -3dB 的下限频率 f L ≤0.3MHz，上限频率 f H ≥20MHz，并要
求在 1MHz～15MHz 频带内增益起伏≤1dB。
（4）放大器的输入阻抗 = 50W，输出阻抗 = 50 W。
1.2.2 发挥部分
（1）电压增益 A v ≥60dB，输入电压有效值 U i ≤1 mV。A v 在 0～60dB 范围内可调。
（2）在 A v ≥60dB 时，输出端噪声电压的峰峰值 U oNpp ≤100mV。 （3）放大器 BW -3dB 的下限频率 f L ≤0.3MHz，上限频率 f H ≥100MHz，并要求在 1MHz～80MHz 频带内增益起伏≤1dB。该项目要求在 A v ≥60dB（或可达到的最高电压增益点），最大输出正弦波电压有效值 U o ≥1V，输出信号波形无明显失真条件下测 试。 （4）最大输出正弦波电压有效值 U o ≥1V，输出信号波形无明显失真。 （5）其他（例如进一步提高放大器的增益、带宽等）。 1.3说明 （1）要求负载电阻两端预留测试端子。最大输出正弦波电压有效值应在R L =50W条件下测试（要求 R L 阻值误差≤5 %），如负载电阻不符合要求，该项目不得分。 （2）评测时参赛队自备一台 220V 交流输入的直流稳压电源。 （3） 建议的测试框图如图 1 所示，可采用点频测试法。射频宽带放大器幅频特性示意图如图 2 所示。 2.设计思路 经过对题目的分析之后，可以看出我们需要制作一个增益可控的射频宽带放大器，就增益控制方面我们采取了两种方式，第一种是手动控制，第二种是单片机控制。因此整体电路的设计可以分为两部分：模拟信号处理电路部分和单片机显示及控制部分。 对于模拟信号处理电路部分，我们做了以下的几点分析：硬件需要实现的指标有以下几点：增益范围在20dB—60dB增益可控、 U o ≥1V，输入电压有效值U i在1mV—20mV（当增益大于60dB时，输入电压有效值 U i ≤1 mV），频带宽度为0.3MHz— 100MHz。由输入信号的数量级以及整体系统的增益大小，我们决定在第一级电路采用低噪音小信号放大器；第二级为可控增益放大器，这一级可采用的方案比较多，平常我们能用到的就有VCA电压控制增益放大器、模拟乘法器、高频衰减器等；第三级做一 个固定增益模块，考虑到前两级的增益可能在40dB左右以及带宽的问题，最后需要一个宽带的固定增益放大器。 对于单片机显示及控制部分，有如下要求：输入按键电路、显示控制信息电路、控制增益部分。 综上所述，第一级电路采用基于ERA-8SM芯片的小信号放大器，第二级电路采用基于VCA821芯片的程控放大器，第三级电路采用基于OPA695的固定增益放大。单片机采用stm32芯片。 3.原理图分析 3.1第一级小信号放电路 如图1所示，为第一级ERA-8SM低噪音小信号放大电路。R2是一个限流电阻，阻值与所加的VCC有关，L1直流馈电采用感值较大的电感元件，由于ERA-8SM需要50Ω阻抗匹配，因此经过实际的调整以及计算后加入一个1uf的电容。
 图1
3.2第二级程控增益控制电路 如图2所示，为第二级VCA821增益控制电路。R14为增益电阻，为了让输入能接收更大的电压幅度，取的电阻值为220Q。由于电路属于单端输入，因此在-Vin引脚采用22Ω电阻串接接地。而在参考电压VREF引脚通过一个小电阻到地，目的是以0V电压做参 考，控制电压的范围为0—2V。 在手动控制的过程中因为VCA821的控制电压在0—2V，所以取R5=20k，RP1=10k，则控制电压在0—1.667V。
 图2
3.3第三级固定增益电路 如图3 图4所示，为第三级固定增益电路，这级电路由两个OPA695模块级联而成，这使整个系统的放大性能更加的稳定可靠。  图3                                                                                                                                               图4
4.实物展示
图5第一级电路小信号放大  图5 图6第二级电路可控增益放大
 图6 图7第三级电路固定放大  图7 5.调试流程 5.1带宽调试 5.1.1在Av≥60dB下，1MHz—80MHz频带内增益起伏≤1dB。 f=1MHz  图8 f=20MHz 
图9 f=40MHz  图10 f=60MHz  图11 f=80MHz  图12 可见在1MHz—80MHz频带内增益起伏≤1dB，满足要求 5.1.2放大器 BW -3dB 的下限频率 f L ≤0.3MHz，上限频率 f H ≥100MHz调试 由下图13可见放大器 BW -3dB 的下限频率 f L=0.22MHz  图13 如下图14可见放大器 BW -3dB 的上限频率 f H=104MHz  图14 5.2调试可控增益。这里我们选择输入信号频率=40MHz，Ui=1mV的正弦波信号 图15是在60dB增益下的波形  图15 图16是在40dB增益下的波形  图16 图17是在20dB增益下的波形  图17 5.3 噪音测试 由图18可见在 A v ≥60dB 时，输出端噪声电压的峰峰值 U oNpp =38mV左右，满足要求  图18 6.视频演示 系统调试视频地址：[https://www.bilibili.com/video/BV1Vv411i7f7/](https://www.bilibili.com/video/BV1Vv411i7f7/) 7.源码附件  图19 其他模块链接： 程控放大器：[https://oshwhub.com/he-mu-cao/vca821](https://oshwhub.com/he-mu-cao/vca821) 第一级固定增益放大器：[https://oshwhub.com/he-mu-cao/ova11](https://oshwhub.com/he-mu-cao/ova11) 第二级固定增益放大器：[https://oshwhub.com/he-mu-cao/opa22](https://oshwhub.com/he-mu-cao/opa22)