杨成林

(山西省广播电视局忻州中波转播台，山西 忻州 034000)

0 引言

随着微电子技术的发展，射频宽带运算放大器广泛应用于A/D转换器、D/A转换器、有源滤波器、波形发生器、视频放大器等电路。在无线通信、移动电话、卫星通信网、全球定位系统、直播卫星接收及自动驾驶系统等领域，有着广泛的应用前景。

1 射频宽带高增益放大电路设计目标与难点分析

1.1 设计目标

基本要求是电压增益Av≥20 dB，输入电压有效值Ui≤20 mV。Av在0～20 dB范围内可调；最大输出正弦波电压有效值Uo≥200 mV，输出信号波形无明显失真；放大器BW-3dB的下限频率fL≤0.3 MHz，上限频率fH≥20 MHz，并要求在1 MHz～15 MHz频带内增益起伏≤1 dB；放大器的输入和输出阻抗50 Ω。

输入电压有效值ui≤1 mV。Av在0～60 dB范围内可调；在Av≥60 dB时，输出端噪声电压的峰峰值UoNpp≤100 mV；最大输出正弦波电压有效值Uo≥1 V，输出信号波形无明显失真。

1.2 设计难点分析

1) 频带内增益起伏控制及放大电路的稳定性：电路电压增益在通频带内波动较明显，通过对各级放大电路进行频率补偿，在电源端增加去耦0.1uF和100uF电容，电容电阻的引线部分要尽可能的短，并且采用屏蔽盒对电路板进行屏蔽。

2) 防止放大器产生自激振荡措施：防止措施为在各级间加隔离，防止各级间互相影响，对放大器加屏蔽，为防止由于PCB板有引脚的引出而导致天线效应产生的自激振荡，采用贴片封装的元器件进行焊接。对电源有效去耦。

3) 为防止外部干扰，要对放大器加以屏蔽[1]。

2 射频宽带高增益放大电路的设计方案

2.1 射频宽带高增益放大电路的基本原理

本电路由前级放大、压控放大、后级电流运放3个模块组成。以增益放大器OPA847为核心，通过调节VCA824控制增益，实现增益可调。由OPA847组成增益放大器，实现增益20～60 dB范围内连续可调，单级放大20 dB，中间级通过压控放大器VCA824实现0.05倍～5倍增益控制，后级电路通过OPA695实现放大13 dB固定增益，波形无明显失真;功放输出信号经有效值检波后，通过A/D转换，将模拟电压的有效值转换成数字信号，并送控制器实现增益预置与显示。

2.2 设计方案

1) 信号放大60 dB增益设计：采用高带宽，大压摆率的宽带运放实现60 dB放大。由于运放具备高开环增益、高输入阻抗和低输出阻抗，所以由运放构成的放大电路具备更好的线性，具有很好的稳定性，且增益易于控制。

2) 放大增益可调设计：前级采用放大电路固定增益放大，后级由压控放大器VCA控制，实现增益可调[2]。

2.3 系统总体框图

图1 系统框图

如图1所示。信号由前级带宽放大器OPA847输入，前级放大20 dB，中间级通过压控放大器VCA824实现0.05倍～5倍增益控制，后级电路由电流型运放OPA695实现13 dB固定增益，末级有继电器切换进行13 dB增益放大和20 dB电阻网络衰减,信号由该末级的继电器输出。

3 应用芯片

3.1 OPA847芯片

1) OPA847特性：OPA847芯片的特性为高增益带宽3.9 GHz；低输入电压噪声0.85 nV/Hz；低失真-105 dBc(5 MHz的)；高压摆率950 V/μs；高直流精度VIO<±100 μV；低电源电流18.1 mA；低关断功率2 mW。常用于低噪声宽带互阻放大器，低噪声差分接收器和超声通道放大器。

2) OPA847引脚定义：如图2所示OPA847由8个引脚组成，引脚1和引脚5是NC数控端，该引脚在器件内部接地，通常这两个引脚不需要连接。引脚6是输出端，输出放大信号。引脚7供电正端，引脚4供电负端，引脚8是使能端，可选择开路或者置高电平，高电平有效。

图2 OPA847芯片

3.2 VCA824芯片

1) VCA824特性：VCA824芯片的特性为小信号带宽710 MHz (G=+2 V/V)；4Vpp带宽320 MHz(G =+10 V/V)；增益平坦度0.1 dB～135 MHz；转换速率2 500 V/μs；增益调整范围>40 dB；高增益准确度20 dB±0.3 dB；高输出电流±90 mA。VCA824芯片应用于带增益的差分线路接收器，微分均衡器，高计数率脉冲幅度补偿电路，连续可调衰减器及电压调谐活跃的过滤器。不仅能够以更快的速率处理大量数据，同时还能最小化谐波失真以提高信号保真度。

2) VCA824管脚定义：如图3所示，VCA824由14个引脚组成，引脚1和引脚14(+Vcc)，引脚2(VG)，引脚3(+VIN)，引脚4(+RG)，引脚5(-RG)，引脚6(-VIN)，引脚7和引脚8(-Vcc)，引脚9(VREF)，引脚10(VOUT)，引脚11(GND)，引脚12(FB)，引脚13(NC)。

图3 VCA824芯片

4 放大电路理论分析和计算

4.1 宽带放大器的分析

宽带放大器采用集成运放实现。当输入信号有效值Ui≤1 mV时，输出电压有效值Uo≥1 V，即峰峰值为Upp≥2.828 V，频率为100 MHz时下降3dB,则末级运放压摆率见式(1)：

SW≥2×π×100M×2.828V=1776V/μs.

(1)

同时，设计要求电压增益≥60 dB，输入信号频率为100 MHz，则若采用单级放大，要求运放增益带宽积见式(2)：

GBR=1000×100M=100G.

(2)

目前运放只实现单级放大20dB，因此本次采用多级放大实现60 dB增益可调。前级采用固定增益，由宽带高压摆率运放OPA847实现20 dB增益放大。中间级通过压控放大器VCA824 实现0.05 V/V～5 V/V增益可调。VCA824带宽为350 MHz，增益范围0 dB～40 dB可调。后级接入继电器切换，实现最终的0 dB～60 dB范围可调。

4.2 频带内增益起伏控制及调整

本系统前级固定增益放大，根据OPA847性能特点，其增益为G=12时，带宽高达600 MHz，实现了1 MHz～80 MHz范围波动小于1 dB。

中间级使用压控放大器VCA824，在一定频带内输出信号会有波动。在压控电阻控制端进行频率补偿，可扩展信号频带，使输出增益稳定 。

后级电路使用电流反馈型运放OPA695，通频带平缓，带宽为1.7 GHz，远远大于80 MHz。

系统增益调整主要由压控放大器VCA824实现。设置VCA824最大增益为5倍，通过调节压控端电压调节增益。见式(3)：

G=2×Rf/Rg×VRF.

(3)

系统设计中，选取Rf=2.5Rq，则增益为G=5×VRF，控制VRF在-1 V～1 V范围内变化，可调节增益在0.05 V/V～5 V/V变化。

4.3 射频放大器稳定性分析

由于系统输入信号频率为1 MHz～100 MHz，信号有效值小于1 mV，放大器易引入噪声和引起自激。因此，前级采用固定增益放大电路，第一级设计较低增益，放大20 dB，减小噪声对系统后级影响。为减少外界电磁干扰，采用屏蔽盒进行抗干扰处理，提高系统稳定性。

4.4 放大器带宽设计

根据设计目标系统带宽下限频率fL≤0.3 MHz，上限频率fH≥100 MHz。系统所选取的放大器芯片带宽均远远大于100 MHz。压控放大器频带通过RC频率补偿也实现上限频率fH≥100 MHz[3]。

5 射频宽带高增益放大电路设计

5.1 前级固定增益电路设计

前级电路采用宽带放大器OPA847实现20 dB增益放大。OPA847带宽为3.9 GHz，压摆率为950 V/μs，且其放大倍数大于12时，系统增益稳定。前级输入信号有效值为Ui=1 mV，则放大20 dB输出电压峰峰值见式(4)：

Uopp=22×1×100=282.8 mV.

(4)

则所需运放压摆率见式(5)：

SW=2×3.14×100 M×282.8 mV=177 V/μs.

(5)

OPA847的前级固定增益电路设计具体电路如图4所示。

5.2 VCA电路设计

中间级通过压控放大器VCA824实现0.05 V/V～5 V/V增益控制。VCA824 为宽带压控放大器，放大20 dB，增益带宽为320 MHz，达到了100 MHz带宽设计目标。通过调节VCA824压控端控制输出增益，实现增益可调。具体电路如图5所示。

图4 OPA847放大电路

图5 VCA824压控电路图

5.3 后级电路设计

后级电路设计通过OPA695实现5倍增益放大，即放大13 dB，通过继电器切换电阻网络进行衰减，使整个系统实现0 dB～60 dB增益范围可调。OPA695为电流反馈型运放,具有2 500 V/μs高压摆率和带宽，完全可实现有效值1 V、带宽100 MHz信号输出。具体电路如图6所示。

图6 OPA695后级电路图

6 结束语

通过对放大器电压增益测试，BW-3dB带宽测试和输出噪声电压测试的测试，放大器满足了设计目标。