三江学院 徐 贤 吴正平

1.系统方案设计

增益可控射频放大器设计时，主要包括两个方面，一是可控放大器的实现；二是射频放大器的实现。针对可控放大器的实现，常用的方法是采用场效应管或三极管控制增益，利用场效应管可变电阻区（或三极管等效为压控电阻）实现增益控制；或者采用多路选择器来来改变放大器跨接的电阻的值实现增益控制。前者，分立原件多，电路相对复杂，稳定性差，在频带要求高的场合不适用；后者需求每一级放大器都要加多路选择器，不能实现连续调节，影响高频的频率特性，容易引起放大器的自激。因此，本设计中，以上两种方案均未采用，而是采用更为直接的可调增益的运放实现（VCA824），该运放可以dB为单位进行调节，可控增益为±20dB，可以用单片机方便的预制增益。这种方案集成度高，条理清晰，控制方便，易于数字化单片机处理。

在进行射频放大器设计时，没有采用电压反馈放大器OPA847、OPA8009、OPA691、OPA2694这些常用的运放，基于放大倍数和失真度的考虑而是采用电流反馈放大器OPA690、THS3091，因为OPA690特别适合做高频小信号放大，在Gain=2的前提下工作带宽为120MHz，可用于前级处理部分，而THS3091在Gain=2的前提下工作带宽为210MHz。

2.硬件电路设计

2.1 系统框图

本系统主要包括前级放大模块、增益控制模块、键盘及显示模块和电源模块。如图（1）所示。

图（1）系统框图

2.2 可控电压增益电路

可控增益调节部分使用压控增益放大器集成电路VCA824，VCA824在宽频带工作模式下，如图（2）所示，增益控制范围为-20dB～+20dB，但增益dB和控制电压不是线性关系。

图（2）VCA824电路图

2.3 前级电压增益放大电路

OPA690特别适合做高频小信号放大，在Gain=2的前提下工作带宽为220MHz，可用于前级处理部分，对于后级的调理起到相当大的简化作用，该运放具有良好的带宽增益，如图（3）所示。

2.4 电源模块

本系统使用了多种芯片，其工作电压也各有不同，其中，单片机、OPA690 、VCA824芯片需±5V供电，THS3091芯片需±9V供电。系统总电源采用DC-12V的供电方式，在得到初始电压12V后经由芯片MC34063A得到-9V的电压，如图（4）所示；±5V，+9V的电源，采用同一系列的78MXX,79MXX芯片实现，如图（5）、图（6）所示。

图（3）OPA690放大电路

图（4） -9V电压电路图

图（5）+9V电压电路图

图（6）±5V电压电路图

3.理论分析与参数计算

3.1 射频放大器的设计

由于运放无法实现单级放大40dB，因此本系统采用多级放大实现40dB增益可调。前级采用固定增益，由宽带高压摆率运放OPA690实现2倍增益；中间级通过压控放大器VCA824实现0.1～10V/V增益可调，VCA824带宽为350MHz，增益范围0～40dB范围可调；后级由继电器切换，实现最终0～52dB范围可调。

3.2 频带内增益起伏控制

本系统前级固定增益放大，根据OPA690Datasheet提供，其增益为G=2时，带宽是120MHz。前级使用压控放大器VCA824，在一定频带内输出信号会有波动，因此在压控电阻控制端进行频率补偿，扩展信号的频带，使输出信号增益稳定，波动不大于2dB。

3.3 射频放大器稳定性设计

（1）放大器板上运放电源线及数字信号线均加磁珠和电容滤波，磁珠可滤除电流上的毛刺，电容滤除较低频率的干扰，这两者配合在一起可较好的滤除电路上的串扰，安装时尽量靠近IC电源和地。

（2）信号耦合用电解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频增益下降。

（3）在两个焊接板之间传递模拟信号时用同轴电缆，信号输入输出使用SMA-BNC接头以使传输阻抗匹配，并可减少空间电磁波对本电路的干扰，同时避免放大器自激。

（4）数字电路部分和模拟电路部分的电源严格分开，同时数字地和模拟地电源地一点相连。

3.4 增益调整

系统增益调整主要由压控放大器VAC824实现。设置VCA824最大增益为10倍，通过调节压控端电压调节增益。其表达式为：

4.测试数据及数据分析

4.1 测试数据

在完成系统软硬件设计及制作，对电路进行多次检测后，使用函数发生器（KEY SIGHT 3360A）以及示波器（MOS-X3104T）测得以下数据，如表（1）及图（7）所示。

4.2 数据分析

对测试波形及数据进行记录和分析，可以得出该设计满足以下指标：

（1）电压增益Av≥40dB，输入电压有效值Ui≤56mV，Av在0～40dB范围内可调；

（2）最大输出正弦波电压有效值Uo≥2V，输出信号波形无明显失真；

（3）放大器BW-3dB的下限频率fL≤60MHz，上限频率fH≥130MHz，在 75MHz～130MHz频带内增益起伏≤2dB；

图（7）输出信号波形

（4）放大器的输入阻抗=50Ω，输出阻抗=50Ω，负载为50Ω；

（5）电压增益Av≥60dB，输入电压有效值Ui≤1mV，Av在0～60dB范围内可调；

（6）增益控制范围为12dB～40dB，增益步长为4dB，增益误差小于2dB。

[1]清泉,昌宁．集成运算放大器原理与应用[M]．科学出版社,1980．

[2]南敬昌,冯永生,刘元安．基于ADS 线性射频放大器设计与仿真[J]．计算机仿真,(2007)∶ 302-305．

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[4]Brueske D E,Graham D J．Gain controllable low noise amplifier with automatic linearity enhancement and method of doing same∶U．S． Patent 6,288,609[P]．2001-9-11．