李训栓， 周 爽， 金 武， 王心华， 冯娟娟

(兰州大学 物理科学与技术学院，兰州 730000)

一种基于MMIC的甚高频程控增益放大器

李训栓， 周 爽， 金 武， 王心华， 冯娟娟

(兰州大学 物理科学与技术学院，兰州 730000)

以单片微波集成电路(MMIC)INA02186为核心，VCA824和HMC470为增益控制芯片，设计了一种可变增益放大器。单片机(MCU)通过D/A转换控制VCA824实现增益的粗调节，同时控制HMC470实现增益的细调节，在20～300 MHz甚高频(VHF)带上实现了-19～52 dB的增益控制。放大器具有宽频带、低噪声和增益控制精确等特点。

单片微波集成电路； 可变增益放大器； 甚高频； 单片机

0 引 言

通常情况下，数据采集和微弱信号分析系统中，传感器所能采集到的信号都是很微弱的。这些微弱的离散的信号需要进行放大，才能送入量程固定的A/D转换器进行数据采集。信号放大的过程往往需要高精度、精益可控的放大器[1-4]，此类放大器在移动通信、雷达探测等方面有广泛的用途[5]。MMIC具有电路损耗小、噪声低和频带宽等特点。以MMIC为前级放大器，由单片机进行增益调节的程控增益放大器可以在甚高频范围内满足要求。

1 系统设计方案

系统由前级放大器、可变增益放大器、数字衰减器和后级放大器和单片机显示与控制几个模块组成，其原理框图如图1所示。其中前级放大器由MMIC芯片INA02186实现，可变增益放大器以VCA824为核心，数字衰减器利用HMC470来完成。单片机通过D/A转换控制可变增益放大器实现增益的粗调节，同时控制数字衰减器实现增益的细调节，从而使总增益实现了-19～52 dB宽频带范围内的连续变化。与传统设计思路不同，方案采取了先放大再衰减的设计理念，旨在减小传统多级放大引入的噪声。后级采用AG603作为后级放大器，避免了运放在高频段由于压摆率不足造成的失真。系统通过单片机模块实现了键盘手动预设增益，LCD实时显示预设增益等人机交互功能，使得系统易于操作。

图1 程控放大器原理框图

2 理论分析及器件选型

2.1 输入输出级器件选型

多级放大电路第一级的选择是决定系统噪声的关键[6-7]。传统多级放大电路大多选取低噪声运算放大器为前级,但低噪声运算放大器在高增益时带宽损失较大[8-10]。因此，系统前级采用单片微波集成电路(MMIC)放大器INA02186实现31 dB增益放大。INA02186是低成本、低噪声、大带宽、高增益放大器，其典型噪声系数为2 dB,带宽为0.8 GHz，其增益曲线极其平坦，完全满足指标要求。输出级电路的要求为全功率带宽，其计算公式FPBW=SR/(2π·VP)。由此可见，当带宽为300 MHz，输出峰峰值为6 V时，运算放大器的压摆率为11.309 7 kV/μs，几乎没有运算放大器能够胜任。因此后级选用放大器AG603实现，其噪声系数为3.9 dB，能够在高频、大功率条件下无失真输出。

2.2 可变增益放大器器件选型

VCA824是一款高速程控放大器，外置电阻设置最大增益，由模拟电压控制实现40 dB增益变化范围。它可提供6 nV/Hz1/2的低输入电压噪声,在增益为20 dB时输出电压峰峰值为4 V时依然可提供高达320 MHz的带宽。其增益与控制电压之间的关系为：

使用高精度DAC即能够实现增益的线性变化。

2.3 数字衰减器选型

HMC470是一款5位TTL/CMOS控制数字衰减器。该数字衰减器采用低成本的无铅SMT封装，与片外隔直电容组合，可以使工作频率接近直流。可以提供高精度，1 dB步进的信号衰减并能在极宽的频带上保持增益曲线平坦。该衰减器控制方式简单，控制位分别对应-1、-2、-4、-8和-16 dB衰减值。真值表如表1所示。

2.4 系统增益分配及噪声分析

INA02186前级放大器的增益为31 dB，VCA824的可调节增益为-20～20 dB，HMC470数字衰减器的增益调节范围为-31～0 dB，最后AG603后级放大器的增益为19 dB，其中各级阻抗匹配电路产生的插入损耗-18 dB。因此系统固定增益为31+19-18=32 dB，总增益调节范围为-19～52 dB。由于数字衰减器增益控制更为精准，因此增益调节应以调节数字衰减器为主，调节可变增益放大器为辅。实际输出时可以使可变增益放大器输出固定放大倍数-20,0和20 dB,因此系统增益可以分为3档：1档-19～12 dB;2档12～32 dB;3档32～52 dB。

表1 HMC470真值表

多级放大器的系统噪音主要由第一级放大器贡献而后级网络对系统整体的噪声性能影响较小，为简化计算，仅考虑第一级噪声。

PNI=kT0BN， BN=KNfC

式中：F为噪声因子；NF为噪声系数；PNO为输出噪声功率；PNI为输入噪声功率；GP为功率增益；k为玻尔兹曼常量；T0为热力学温标；BN为噪声带宽；KN为校正因数(1阶滤波器校正因数为1.57)；fC为截止频率。第一级放大器噪声系数为2 dB。设置截止频率为300 MHz，温度为300 K，后级电路按最大增益39 dB计算，噪声电压有效值仅为39.4 mV。

3 硬件电路设计

3.1 超低噪声电源模块

TPS7a4700能够实现4 μV的超低噪声输出，是一款低压差、高精度线性电源，最大能够提供1 A电流。TPS7a3301噪声有效值仅为16 μV，能够提供最大为1 A的负载。电路连接如图2所示，TPS7a4700的输出电压VCC为+6 V的直流电压，TPS7a3301的输出电压VEE为-6 V直流电压。VCC将为前级放大器、可变增益放大器和数字衰减器、后级放大器和D/A转换器供电。VEE为可变增益放大器及D/A转换器转换器中的运放提供负电压供电。

3.2 前级放大器

前级放大器的设计如图3所示，是整个放大电路中要求最为严苛的一环，电路的布局对前置放大器的噪声及增益平坦度等性能影响巨大。电路布线时应将地线感性降至最低，以保证最佳的接地性能。并且电源离MMIC得距离不宜太近，电路中宜加入经过严格挑选的RFC(Radio Frequency Choke)电感。电路中P1 SMB接口连接输入信号，P2 SMB为前级放大器放大输出，连接可变增益放大器输入端。

图2 超低噪声电源模块电路

图3 前级放大器电路图

3.3 可变增益放大器和数字衰减器电路

增益控制电路由以VCA824为核心的可变增益放大器级联以HMC470为核心的数字衰减器构成，VCA824最大增益设为20 dB,并在12脚接入电位器调零，电位器采用Bourns公司的多圈精密电位器。VCA824增益控制端使用12位高精度DAC芯片LT1659实现，使用减法器将其电压输出范围调整为-1.0～1.0 V。VCA824和HMC470都属于宽带敏感器件，容易受到外界干扰。因此电路布局时，各器件应按射频电路布局要求尽量靠近芯片，并且应使用足够的过孔连接顶层和底层地平面。可变增益放大器如图4所示，其中：VEE连接电源模块的负电源端；P1 SMB接口为信号输入端与前级放大器输出连接；P2 SMB在不采用差分放大的情况下空置；P3 SMB为信号输出端与数字衰减器相连；P4 SMB连接D/A转换器的电压输出端；C1为低电感、高自谐振频率的x2y电容；R4为反馈电阻；R5为输出电阻。

数字衰减器的电路连接如图5所示，引脚ACG1-6通过电容接地为交流信号提供对地通路，提高低频性能，其中P1 SMB接口为输入端口与前级的可变增益放大器的输出端连接，引脚V～V5通过P3连接单片机IO，由单片机IO输出控制HMC470真值表对应的增益，P2 SMB为信号输出连接后级放大器。

图4 VCA824可变增益放大器

图5 HMC470数字衰减器电路

3.4 后级放大器

AG603是一款通用缓冲放大器。为了实现最佳性能，其外围电路的参数不能自由选择。并且在布局时，除接地及噪声外，散热性能也应适当考虑，电路连接如图6所示，其中P1 SMB为信号输入端连接前级的数字信号衰减器；P2 SMB为信号输出端。

图6 AG603后级放大器电路图

3.5 D/A转换器

D/A转换器电路由LT1763CDE-5供电电路、两片LT6656以及LT1659 D/A转换芯片组成，如图7所示。电路中LT1763CDE-5为D/A转换电路提供+5V的供电，LT6656-2.5芯片为D/A转换电路提供+2.5 V的参考电压，LT1659的CLK、DIN、CS/LD和Dout引脚与单片IO通过P4相连，接收单片机输出的数字量，引脚Vout电压输出范围为0～2.5 V。将LT6656-1.25芯片输出的+1.25 V电压接入由运放OP37组成的减法器电路的反相端，同相端与D/A的输出Vout相连，减法器电路的输出范围为-1.25～+1.25 V。P1 SMB接口与可变增益放大器中的VG端相连。为了减少提高电路的抗干扰性，电路采用模拟地和数字地隔离的设计，两者之间通过R1铁氧体磁珠连接。

3.6 单片机软硬件设计

单片机MCU模块电路图如图8所示，单片机采用STC12C5A60S2[11-15]，其中按键S3、S4和S5分别控制增益的增大、减小和复位。显示采用Nokia5110液晶屏，用以显示当前的系统增益和MCU模块的输出控制码，P2接口连接数字衰减器，P3接口连接D/A转换器用以控制可变增益放大器。

程序采用模块编程的方式，由一个主程序和若干程序模块组成，主程序通过调用各个程序模块控制子程序间的时序，使整个程序正常运行。MCU主要完成读取键值、计算增益、控制D/A转换器、控制衰减器和显示功能，程序流程图如图9所示。程序的重点在于交叉控制D/A转换器与数字衰减器。增益分为3档，控制D/A转换器的输出可以使VCA824可变增益放大器实现增益量程切换，然后控制HMC470数字衰减器实现增益精确输出。增益分为3档：1档-19～12 dB;2档12～32 dB;3档32～52 dB。假设要实现5、10、20、30、 40和50 dB的增益放大，单片机的控制码输出和各模块参数如表2所示。

4 系统测试及结果分析

设置信号源产生正弦信号送入系统，负载为50 Ω。用示波器同时观察系统的输入信号和输出信号,用示波器观测输出信号是否失真并用矢量网络分析仪测量波特图。经示波器观察，噪声电压有效值小于60 mV且波形无明显失真。预设增益49 dB，起始频率0.100～300 MHz下放大器的波特图，如图10所示。

利用矢量网络分析仪在预设增益为12～52 dB下测试连续增益输出数据如表3所示，测试起始频率20～270 MHz，输入功率40 dBm，每3 s步进增加4 dB。

图7 D/A转换器电路

图8 单片机MCU模块电路图

档位D/A控制码D/A芯片输出/V减法器输出/V可变增益放大器增益/dB数字衰减器控制码数字衰减器增益/dB固定增益/dB最终增益/dB10x019A0.25-1.0-200x03-732510x019A0.25-1.0-200x17-2321020x08001.25000x19-12322020x08001.25000x12-22323030x0E662.251.0200x19-12324040x0E662.251.0200x17-23250

图9 MCU控制软件流程图

由表中数据可以看出，增益在通频带内平稳，起伏不大。实际增益与预设增益吻合。能够实现文中描述的增益步进可调，并且在输入信号电压有效值仅有2.2 mV时，依然能保持较好的性能。但是，由于该系统是分模块组装，连接复杂，引入了许多不稳定因素。信号输出经过了较多线材，增益不稳定。值得注意的是，不论系统增益如何改变，160 MHz处均可见明显增益凹陷。该缺陷很有可能是由系统连接造成，当系统连接稳定后(见图10)，160 MHz处增益凹陷消失，增益平坦度大幅提高。各模块之间的回路的连接过长，使系统产生了额外的噪声，也导致了系统中的地平面的不一致。由于放大器系统中使用的多数器件都为单电源供电，并且级联过程使用了大量小容量隔直电容以保证高频性能，因此下限截止频率较高。若将各独立模块合为一块整体并适当增大隔直电容容量，该系统的性能也能得到进一步提升。

图10 放大器波特图

表3 放大器连续增益输出

5 结 语

测试结果表明放大器在20～300 MHz范围内增益平坦，实现了可变增益放大器与数字衰减器的联合控制，并且在输入电压有效值仅有2.2 mV时依然能保持较好的性能。单片微波集成电路的甚高频程控增益放大器具有程控增益范围大，步进调节精细，系统噪声低以及通频带范围大等优点，非常适合运用在敏感测量仪器、医疗、射频等应用中。

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A Very High Frequency Programmable Gain Amplifier Based on MMIC

LIXunshuan,ZHOUShuang,JINWu,WANGXinhua，FENGJuanjuan

(School of Physical Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

A new variable gain amplifier which was based on Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) INA02186，and the gain control chips VCA824 and HMC470 was designed. VCA824 was controlled by DAC with MCU and HMC470 by MCU, and they fulfilled the rough and fine adjustment, respectively. The amplifier had a splendid gain range from -19 dB to 52 dB with a wide bandwidth of 20 MHz to 300 MHz, i.e., a very high frequency (VHF) band. The amplifier had the character of wide pass band, low noise and precious gain control.

MMIC； variable gain amplifier; very high frequency； MCU

2016-09-15

2016国家级大学生创新创业计划项目(201610730072，201610730069)

李训栓(1981-)，男，河南濮阳人，硕士，工程师，主要从事机器人传感器和嵌入式软件开发。

Tel.：13919372815；E-mail：lixunshuan@lzu.edu.cn

TN 722.5

A

1006-7167(2017)06-0073-06