郭小凤1,刘 帅,李楠楠,宋洪叶

（山西农业大学信息科学与工程学院，山西晋中,030800）

一种增益可控射频放大器的设计与实现

郭小凤1,刘 帅2,李楠楠2,宋洪叶2

（山西农业大学信息科学与工程学院，山西晋中,030800）

该系统是由宽带放大器OPA842、可变增益放大器VCA824以及电流型运放THS3202组合而成的增益可控射频放大器，可实现12dB~40dB增益步进可调。系统由三级构成。OPA842实现两倍固定增益放大构成前级放大器，对输入信号做放大处理。中间级电压增益控制和增益步长控制电路由VCA824通过DA模块实现。末级由THS3202实现功率放大输出。该系统使用同轴线输入信号，最大限度地降低外部干扰。经测试，整个系统性能稳定，控制效果好。

OPA842；VCA824；射频放大器；可变增益放大器

0 引言

现代电子和无线通信技术的飞速发展，使射频放大器在各个领域尤其是通信领域的重要作用日益突显。射频放大器已广泛应用于视频放大器、RFID阅读器、波形发生器、测控、医疗设备的RF信号链电路中以及宽带通信、雷达通信等场合。设计出一种增益步进可调、抗干扰能力强、调节范围大的射频放大器既是科技创新的需要，又能满足电子技术发展的应用需求。为此，本文以德州仪器公司的宽带放大器OPA842和可变增益放大器VCA824为核心，设计一种增益可控射频放大器，通频带范围为60M~130 MHz，可对有效值不大于20mV的输入信号进行放大，电压增益可以达到52dB，且可实现40dB范围步进调节，且增益绝对误差不大于2dB。

1 射频放大器主要技术指标

2 系统方案

2.1 固定增益放大器

放大器通频带不窄于60M~130 MHz，且在75MHz~130MHz频率范围内增益波动不大于2dB，因此前级使用固定增益放大器进行宽带放大，并且选用TI公司的宽带低失真单位增益稳定的电压反馈运算放大器OPA842，OPA842是一种可以满足高动态范围的宽带低噪运算放大器。

2.2 可变增益放大器

可变增益放大器选择条件为高带宽、高增益调节范围和低噪声。可以采用模拟乘法器AD835 与宽带放大器AD8009共同组成可变增益放大器，可以实现约150MHz的带宽和大于20dB的增益调节范围，但是AD835具有50nV/的输入噪声，输入噪声较高；而VCA824带宽420MHz，增益调节范围大于40dB，且V/V线性可变，因此本系统采用两级VCA824级联的方式组成可变增益放大器，然后通过调整DA转换器的基准电压进行增益调节。

2.3 总体方案

图1 放大器电路原理框图

根据分析，射频放大器系统的总体方案框图如图1所示。

3 理论分析与计算

3.1 增益可控射频放大器的设计

3.1.1 增益带宽积

本题发挥部分要求至少200MHz的上行带宽和至少52dB的增益，故而系统的增益带宽积GBW≥77.8GHz。

3.1.2 输出压摆率

3.1.3 输出功率

系统要在50Ω负载情况下提供2V有效值输出，故而输出功率P=80mW，在放大器输出阻抗为50Ω的情况下，末级放大器应具备有效值电流I=40mA的电流输出能力，即需要±56.4mA的电流输出能力。

本设计功率输出使用THS3202放大器，THS3202具有2GHz的单位增益，在±12V供电下，可以保证380MHz的0.1dB增益平坦带宽，满足系统所需的高增益带宽积和增益平坦度。同时，此放大器具有9000V/μs的压摆率，远远超出系统所需指标。其最大输出电流-115mA~+115mA，可以轻松提供系统所需的功率输出。

3.2 频带内增益起伏控制

对于频带内增益起伏的控制，选用方案通过两种方法共同作用来保证频带内增益平坦。首先，使用增益平坦度较高的放大器来进行级联设计，选用具有56MHz的0.1dB增益平坦带宽，满足1dB衰减点大于300MHz的放大器OPA842；可控增益放大器选用具有135MHz的0.1dB增益平坦带宽VCA824；THS3202具有380MHz的0.1dB增益平坦带宽。所选放大器均具有远高于系统要求的增益平坦带宽，从而可以保证放大器的带内增益平坦。其次，在放大器级间插入阻容元件，对放大器进行匹配，从而优化放大器的传输参数，同时减少电路分布参数对放大器的幅频特性影响。

3.3 射频放大器稳定性

系统的稳定性取决于系统的反馈条件，通常使用波特判据和奈奎斯特判据进行稳定性分析。本设计方案采用以相位裕度为判别依据的波特判据来分析系统的稳定性，即要求增益为0dB时相位裕量大于0度。为增强系统的抗干扰能力，通过级间传接电阻、增加电流型运放的反馈电阻，合理设计PCB板减小分布参数影响等方法，提高系统的相位裕度，保证相位裕度大于60度，从而实现系统的高稳定性和良好的相位特性。除此之外，设计采用良好的电源去耦、合理铺地和信号屏蔽。对于铺地设计，通过对整个系统实行大面积铺地，以降低地阻抗，提高稳定性。

3.4 增益调整

由于普通可变增益放大器的增益调整范围不超过40dB，无法完成系统所需的52dB增益调节范围。在此，设计采用两级40dB的可变增益放大器。固定增益放大器级间设置6dB的π型衰减网络，通过两个40dB的可变增益放大器和两个6dB的π型衰减网络，可以实现系统要求的52dB。

4 硬件电路和软件设计

4.1 硬件电路设计

4.1.1 固定增益放大器的设计

本系统共采用两个固定增益放大器模块，两级增益均设定为6dB。为实现高带宽和高通带平坦度，两级固定增益放大器均采用电压型运算放大器OPA842构成的同相放大器。为尽可能扩展放大器通频带，同时又要保证电路稳定性，经测试，选取402Ω作为OPA842反馈电阻，可将放大器性能发挥到最佳。

图2 固定增益放大器电路设计

4.1.2 可变增益放大器的设计

可变增益放大器采用VCA824以实现40dB的增益调节范围和730MHz的带宽。为提高放大器稳定性，控制电压端设计专门驱动电路，同时VCA824输出级接固定增益放大器以扩展输出能力，提高系统最大增益。

图3 可变增益放大器电路设计

4.1.3 衰减网络电路设计

本设计通过衰减网络实现增益切换。为尽可能降低噪声，衰减网络设计在每级固定增益放大器之后，并进行阻抗匹配，以获取最佳噪声特性和频率响应。衰减网络采用π型衰减网络。

4.1.4 电源电路设计

为了提高系统稳定性，电源的稳定性和相互串扰非常值得关注。本设计中，选取LM317与LM337可实现单电源+12V调整为±5V，并选用开关电源提供放大电路中所需要的±12V。开关电源是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。

4.1.5 主控制器设计

选用基于STC89C51单片机对系统进行增益控制。单片机主要完成以下功能：通过DA模块压控增益，对放大器增益进行预置和控制，并将增益信息显示在显示屏上。

4.2 软件程序设计

系统软件显示友好的人机界面，使用STC89C51单片机作为整个系统的控制核心，采用非线性补偿的方法实现增益误差校正，控制PCF8591输出可控增益放大器所需控制电压，单片机数控实现增益步进长为4dB，具有液晶屏显示和带宽设置等功能。程序流程图如图4所示。

图4 程序流程图

5 测试方案和测试结果

测试仪器选用RIGOL 500MHz的4G四路数字示波器、AGILENT E4401B 频谱分析仪、RIGOL两路DG4162双路函数信号发生器、AGILENT E4438C高频信号源和数字超高频毫伏表。

5.1 放大器增益调节范围测试

用高频信号源产生10MHz单频点信号，有效值分别为1mV、5mV、10mV、20mV，接入放大器。放大器输出负载为50Ω，测试结果如表1所示。

表1 测试数据

从测试数据可以看出，信号增益程控可调，最大增益误差达到0.7%。

5.2 放大器通频带测试

设置输入有效值为10mV的电压信号，预置增益80dB，利用点频法测试放大器通频带内是否平坦，测试结果如表2所示。

表2 测试数据

由测试数据可知放大器3dB下限截止频率远小于60kHz，3dB上线截止频率远大于130MHz，因此能基本实现系统的指标要求。

5.3 增益步进控制测试

设置增益范围为12dB~40dB，初始设置为12dB，控制按键输出增益变换，测试结果如表3所示。

表3 测试数据

观察测试结果可知通过对步长增益调整，输出增益变化与实际步长增益结果误差最大不超过2.0dB，较好的实现了步长变化控制。

5.4 放大器输入、输出阻抗

用DDS信号源输出有效值20mV、频率500KHz的正弦信号，预置增益20dB，用示波器测量放大器输入端信号有效值，空载时输出有效值和带50Ω负载时输出有效值，测试结果如表4所示。

表4 测试数据

通过测量放大器输入端信号的有效值，并比较空载时和带50Ω负载时的输出有效值，可知该系统的输入、输出阻抗为50Ω。

6 结束语

本文设计的增益可控射频放大器利用STC89C51单片机作为整个系统的控制核心，采用非线性补偿的方法实现增益误差校正，控制PCF8591输出可控增益放大器所需控制电压，单片机数控实现增益步进长为4dB，具有液晶屏显示和带宽设置等功能，系统地使用了较多的模拟和数字搭配电路，设计出的放大器满足预期指标，整个系统性能稳定，控制效果好，且实用性强，具有很重要的现实意义。

[1] 谢军，盛庆华，毛礼建.射频宽带放大器的增益控制设计与实现[J].现代电子技术.2015,38(6):136-138.

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Design and implement of a program controlled gain radio frequency amplifier

Guo Xiaofeng1,Liu Shuai2,Li Nannan2,Song Hongye2
(Institute of Information Science and Engineering,Shanxi Agricultural University,Jinzhong,030800)

The system composed of broadband amplifier OPA842,variable gain amplifier VCA824 and current gain amplifier THS3202 is controllable RF amplifier gain.Rf amplifier gain can be adjusted step-by-step from 12dB to 40 dB. The system consists of three level.Prime amplifier competed by OPA842 realizes 2 times fixed gain amplification to enlarge the input signal.Intermediate level gets command of voltage gain and gain step length by VCA824 and DA model.The last level implemented power amplifier output through THS3202. The input signal is given by coaxial line and reduce the external interference to the limit.After testing, the whole system has stable performance and good control effect.

OPA842;VCA824;RFamplifie;Variable gain amplifier

TN911

A

郭小凤(1987－),女（汉）,陕西省宝鸡市扶风县人,助教，硕士,f主要研究方向为信号与信息处理

猪行为监测系统的设计与研究工作，项目编号（20142-19）；