2013年全国大学生电子设计赛

2013年全国大学生电子设计竞赛

射频宽带放大器（D题）

【本科组】

2013年9月7日

摘要

本系统由增益模块、数控衰减器模块、控制器模块和电源模块组成。以STM32F103VC作为处理器，采用宽带高速放大器THS3201实现射频增益，通过线性数控衰减器PE43702实现对增益的可调。基于可靠的硬件设计、稳定的软件算法和大量的调试，实现题目大部分要求。

关键词：固定增益衰减器

目录

一系统方案 (1)

1.1 信号增益控制的论证与选择 (1)

1.2 衰减器的论证与选择 (1)

1.3 核心处理器的论证与选择 (1)

1.4 稳压电源的论证与选择 (2)

二系统理论分析与计算 (2)

2.1 宽带放大器的设计 (2)

2.2 频带内增益起伏的控制 (2)

2.3 射频放大器的稳定性 (2)

2.4 增益的调整 (2)

三电路与程序设计 (3)

3.1电路的设计 (3)

3.1.1 系统总体框图 (3)

3.1.2 固定增益放大模块 (3)

3.1.3 衰减器模块 (3)

3.1.3 稳压电源 (4)

3.2程序的设计 (4)

四测试方案与测试结果 (5)

4.1测试方案 (5)

4.2 测试仪器 (5)

4.3 测试结果及分析 (5)

4.3.1测试结果(数据) (5)

4.3.2测试分析与结论 (6)

参考文献 (7)

射频宽带放大器

一系统方案

本系统主要由增益模块、衰减器模块、控制器模块和电源模块组成。下面分别论证这几个模块的选择。

1.1 信号增益控制的论证与选择

方案一：控制放大器的增益倍数实现增益的可调。采用以VCA821为核心的可变增益放大电路。

方案二：固定增益放大，通过控制衰减器实现增益的可调。采用以THS4303为核心的固定增益放大电路。

方案三：可调增益放大，通过数控衰减器实现增益的可调。采用以THS3201为核心的宽带运算放大器电路。

方案比较：采用方案一电路简单，控制方便，具有高增益、高带宽的特点，但自动增益控制电路难以调节，带内波动非常大。粗略调试，不满足题目要求。方案二具有非常好的带内平坦度，带宽大，电流反馈放大电路在高频多级放大电路中更具优势。

综合以上两种方案，选择方案二。

1.2 衰减器的论证与选择

方案一：π型网络电阻衰减网络。

方案二：采用数字步进衰减器PE43702。

方案比较：采用方案一电路搭建简易，但电阻取值的误差会对衰减系数造成影响。方案二PE43702具有最大31.75dB衰减倍数、最小0.25dB的衰减步进，在高带宽范围内有优良的dB线性衰减,更适合本系统对增益的控制。

综合以上两种方案，选择方案二。

1.3 核心处理器的论证与选择

方案一：8位的89C51单片机具有价格低廉，使用简单等特点，但其运算速度低，功能单一，存储空间小。

方案二：16位的单片机MSP430单片机处理能力强，运算速度快，超低功耗，片内资源丰富，方便高效的开发环境。主频速度低是其局限性。

方案三：32位的STM32系列单片机具备主频高、低功耗特点，同时拥有最大的集成度电路，具有性能一流的外设。

方案比较：通过比较，采用STM32F103系列单片机作为主机，速度快，高性价比，控制方便，资源丰富，功耗低。配以触摸屏人机界面使系统更加人性化，可以方便实现整个系统的控制要求。

综合以上三种方案，选择方案三。

1.4 稳压电源的论证与选择

对于高频宽带高增益放大器，电源噪声是必不可少的考虑因素，对电路性能有至关重要的作用。因此，一个超低噪声的电源是必不可少的。

方案一：采用传统的LM78、LM79系列串联式线性稳压芯片，电路简单，防护齐全，但电流小，压差大，效率低，发热量大。

方案二：采用TI公司性能优越的DC/DC开关电源转换芯片TPS5430，其具有很高的输入电流和转换效率，带负载能力强。但开关电源产生的高次谐波会对高频电路产生干扰。

方案三：采用有TPS7A4900、TPS7A330正负线性LDO超低噪声电源芯片以及TPS5430开关电源芯片构成的稳压电源，具有线性电源的低噪声以及开关电源的高效率的特点。

综合以上三种方案，选择方案三。

二系统理论分析与计算

2.1 宽带放大器的设计

本系统要求增益很高，带宽很宽。对于电压反馈型运放，其增益带宽积是一个恒定的常数。增益增大，带宽成比例下降。而电流型反馈运放，其增益带宽积并不为常数，其频率特性几乎不受闭环增益的影响,它的增益和带宽是相互独立的，其-3dB带宽仅由反馈电阻Rf决定，可以通过设定Rf得到不同的带宽。THS3021是高带宽、低失真电流反馈型运放，单位增益带宽为1.8GHz。当多个THS3021级联时，即可满足系统设计要求。本系统考虑测试指标及插入损耗，设计为四级级联放大。

2.2 频带内增益起伏的控制

运放幅频特性不平坦、衰减器带内波动、供电电源不稳定等原因，都可能造成频带内的增益起伏。针对运放幅频特性不平坦，本设计选用的THS3021的带内波动。本系统设计的电源使整个系统供电极为稳定。

2.3 射频放大器的稳定性

（1）采取抗干扰措施，铜板大面积接地，减少地回路；

（2）总体设计时，各级运放相互独立，消除运放间的相互影响；

（3）布线时考虑信号流向，信号线直而短；防止级间干扰，级间采用同轴电缆相连，输入级与输出级远离；电源靠近后级，防止各级形成共阻；

（4）由于系统带宽比较宽，为防止信号线通过电源线相耦合，每个芯片的供电线采用去耦电容和铁氧体磁珠隔离。

2.4 增益的调整

每级THS3021设定增益大概为20dB,若四级级联并考虑插入损耗，最大可获得

70dB的增益。PE43702的最大衰减为31.75dB,为了能使系统增益达到0dB,需要三级衰减器。PE43702的最小衰减步进为0.25dB,可使增益在-10dB-70dB间设置，最小分辨率为0.25dB。

三电路与程序设计

3.1电路的设计

3.1.1系统总体框图

系统总体框图如图3-1-1所示：

图3-1-1 系统总体框图

3.1.2 固定增益放大模块

图3-1-2 一至四级放大电路

3.1.3 衰减器模块

图3-1-3 一至三级衰减器模块

3.1.3 稳压电源

图3-1-4 稳压电源电路

3.2程序的设计

程序功能描述与设计思路

四测试方案与测试结果

4.1测试方案

对本系统的增益、幅频特性、相频特性等分别采取以下两种方式进行测试，如图4-1-1、图4-1-2所示。

图4-1-1 测试方式一图4-1-1 测试方式二

4.2 测试仪器

测试仪器见表4-2-1

表4-2-1 测试仪器

4.3 测试结果及分析

4.3.1测试结果(数据)

1）通频带基础部分测试

测试条件：输入电压有效值Ui=10mV,相应峰值Vip-p=28.3mV,设置增益为20dB，频率范围为1MHz-15MHz，测试结果见表4-3-1。

2）通频带发挥部分测试

测试条件：输入电压有效值Ui=800mV,相应峰值Vip-p=2.23mV,设置增益为60dB，频率范围为1MHz-100MHz，测试结果见表4-3-2。

增益设为60dB,输入短路，用数字示波器测输出端噪声峰峰值为60mV,小于100mV。

4）输入阻抗Ri与输入阻抗RL的测量

用四位半万用表测得Ri为50.23Ω，RL为51.31Ω。

4.3.2测试分析与结论

表4-3-3 测试结果分析

通过测试指标结果和题目要求分析，此次设计基本完成了题目的任务，整个系统稳定，并且系统考虑了许多实际当中可能会对系统造成影响的因素，如PCB布线、电容去耦、信号流向等，人机界面使系统操作人性化。设计过程中特别是对信号强度放大和衰减电路进行了严格的理论推导，对系统对稳定性及精度提供了理论的保障。通过此次设计再次深刻认识到了理论联系实际对重要性，也体会到了我们的理论和实际设计的诸多不足之处，为以后的学习指明了方向。

参考文献

[1]铃木宪次.高频电路设计与制作.何中庸，译.北京：科学出版社.2005.

[2]高瑜翔.高频电子线路.科学出版社.2008(12).

[3]杨明欣.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2011(12).