射頻寬帶放大器的增益控制設計與研究

摘 "要： 該系統是基于高頻寬帶運放OPA695和可控增益放大器LMH6502組合而成的射頻寬帶放大器，可實現0～60 dB連續可調。由于OPA695是一款具有超低輸入噪聲電壓信號的電流型運放，所以將其作為前級放大。LMH6502作為第二級放大電路可通過DA控制其增益大小，變化范圍為-40～20 dB。最后一級經OPA695進行信號的總體放大，使其總增益可達到60 dB以上。調零電路使整個放大器最大程度的減小了直流偏移，并通過減小電源紋波和使用屏蔽線等方法將噪聲減小到最小。同時，放大器增益可預設，并可將增益同步顯示在LCD上。

關鍵詞： 射頻寬帶放大器; OPA695; LMH6502; 調零電路

中圖分類號： TN911?34 " " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）06?0136?03

Design and research for gain control of radio frequency broadband amplifier

XIE Jun， SHENG Qing?hua， MAO Li?jian

（School of Electronics Information， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： The RF broadband amplifier is composed of high bandwidth operational amplifier OPA695 and controllable gain amplifier LMH6502. It can continuously adjust the gain from 0 dB to 60 dB. Since the OPA695 is a current operational amplifier with ultra?low voltage?input noise， it serves as a preamplifier. LMH6502， as the second?stage amplifier， can use DA to control the gain whose variation range is -40～20 dB. The final signal is amplified by the OPA695. As a result， the total gain can reach to more than 60 dB. Zeroing circuit reduces the DC offset of the entire amplifier to the maximum degree， and reduces the noise to the minimum by reducing the power supply ripple and using shielded wire and other methods. Meanwhile， the amplifier’s gain can be pre?set， and can be synchronously displayed on LCD.

Keywords： radio frequency broadband amplifier; OPA695; LMH6502; zeroing circuit

0 "引 "言

隨著現代電子和通信技術的迅速發展，射頻寬帶放大器在通信領域發揮著越來越重要的作用，在移動通信，雷達通信，信息對抗等領域現已廣泛的應用。它常常用于通信設備接收機的前端，將通信設備接收到的信號進行放大到合適的功率然后送到傳感器進行信號的處理和分析。在射頻領域，傳統的放大器因頻帶窄、增益低等自身特點，往往無法應用。為此，這里以德州儀器公司的LMH6502和OPA695為核心，設計一種射頻寬帶放大器，可對有效值不小于1 mV的交流正弦信號進行放大，該射頻寬帶放大器的頻率為0.3～100 MHz，增益可實現60 dB范圍調節。該系統精度高，實用性強，具有很重要的現實意義。

1 "方案論證與比較

1.1 "MCU選擇

方案一：選擇STM32F103RBT6單片機。STM32F103

RBT6具有2 個SPI、1 個USB 、128 KB的FLASH、20 KB的SRAM 、3 個串口、1 個CAN、2 個12位的 ADC、RTC 、51個可用 I/O 腳，資源豐富，但結合本系統所用到的資料綜合來看有點大材小用。

方案二：選擇MSP430G2553單片機。MSP430系列單片機是美國德州儀器1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集的混合信號處理器。工作電壓范圍1.8～3.6 V，5種低功耗模式，具有兩個16位的定時器、16 KB的FLASH、512 B的RAM、16個I/O。價格較低，資源豐富，且易于控制。經過分析選擇方案二。

1.2 "寬帶放大器選擇

方案一：OPA690對單位增益穩定有很大作用，屬于電壓反饋運放，GBW大概為500 MHz，壓擺率為1 800 V/μs，不過其供電電壓范圍很低，屬于低電壓的運放，單電源供電時5～12 V，雙電源只有正負2.5 V到正負5 V，常用于高速成像通道，ADC緩沖器，便攜式儀器等。

方案二：電壓型反饋放大器的帶寬隨增益增加而急劇降低，壓擺率常常不足，而電流反饋放大器可以彌補上述不足。OPA695是高增益高帶寬的電流反饋型的運算放大器，擁有極高的帶寬，壓擺率為4 300 V/μs，并且擁有極低的輸入噪聲，可很好的隔離噪聲。經過分析選擇方案二。

1.3 "可調增益放大器選擇

方案一：VCA822是一款直流耦合型寬頻帶壓控增益放大器，按V/V線性變換，最大工作頻帶寬度可達150 MHz。放大器增益由控制電壓和外圍電阻阻值共同決定，需雙極性電壓控制（-1～1 V），并且容易自激。

方案二：LMH6502是一款寬帶直流耦合差分輸入，按對數線性變化的增益可控的高速電流反饋型運放，可直接驅動一個低阻抗負載。增益調節范圍超過70 dB，低功耗300 mW并可達到130 MHz的帶寬且只需單極性電壓（0～2 V）進行控制且不易產生自激。綜合考慮選擇方案二。

1.4 "DAC控制可調增益放大器調節方式

方案一：STM32F103ZET6內部含有3個12位DAC，可實現高精度調控，但電流較小，驅動能力較差。

方案二：DAC7512是具有內置緩沖放大器的低功耗12位數/模轉換器。其接口與SPI接口兼容，因而可與MSP430G2553單片機直接連接而無需任何其他接口電路。其可選擇供電電源來作為參考電壓，具有很寬的動態輸出范圍，在5 V供電電壓下的功耗僅為0.7 mW。綜合考慮使用方案二。

2 "理論分析與計算

2.1 "寬帶放大器設計

本系統中使用了OPA695和LMH6502。OPA695為電流反饋型運放，擁有極高的增益和帶寬，可有效隔離噪聲。LMH6502為可調增益放大器，可實現-40～20 dB的寬范圍調節。本系統共采用三級電路，第一級為OPA695構成的高增益放大器，增益為23 dB;第二級通過單片機控制高精度的DAC7512來精確地驅動LMH6502來調節增益，使其增益可調范圍在-40～20 dB;第三級通過OPA695進行總的放大，增益為22 dB，足以滿足系統設計要求。

2.2 "頻帶內增益起伏控制

造成頻帶內增益起伏的原因很多，其中包括運放幅頻響應不平坦及供電電源不穩定等。為了防止因為放大倍數過高而使起伏變大，所以我們將電路增加級數，將每一級的放大倍數變小，這樣可以滿足帶寬及增益要求且減小頻帶內增益起伏。

2.3 "射頻放大器穩定性

本系統為射頻寬帶放大器，頻率很高，并且放大倍數較大，為不影響帶寬，采用多級級聯，但是系統穩定系易受影響，容易產生自激現象。為了提高放大器的穩定性，必須要將供電電壓濾波，否則容易混入高頻噪聲，這里們通過屏蔽盒進一步對外界影響進行鞏固。系統的穩定性主要取決于系統的相位裕量，所以必須要留有適當的相位裕量。在本系統中，將高頻信號部分全部采用雙面板印制，并且采用銅板大面積接地，減小接地回路，電容電阻全部采用貼片封裝，減小元器件影響。

3 "電路與程序設計

3.1 "系統組成

系統總體框圖如圖1所示。

lt;E：＼王芳＼現代電子技術201506＼現代電子技術15年38卷第6期＼Image＼26T1.tifgt;

圖1 系統總體框圖

3.2 "LMH6502增益可調模塊

LMH6502的直流偏差有兩部分：共模Offset和差模Offset。如圖2所示，將Vin接GND，然后在Vg上輸入一個方波（低電壓0 V，高電壓2 V），這樣增益就會在最大和最小之間變化。差模Offset會隨著增益放大和縮小，共模Offset不變。這樣就會看到方波。調節R10可以將方波部分減小到零，調節R14可以將方波下方的直流部分減小到零。

由于Offset會隨增益變化，所以這個調節方法不能將Offset完全消除，只能最大抑制。不過高頻電路中常采用AC耦合，所以小的Offset不影響電路性能。另外，需要注意的是共模電壓要正確，共模電壓超出范圍會導致Offset異常。

4 "測試方案與測試結果

測試儀器包括：SP2271型數字超高頻毫伏表;SP1501高頻小信號發生器;MSO?X3052A示波器;直流穩壓電源;負載電阻R=50 Ω。

lt;E：＼王芳＼現代電子技術201506＼現代電子技術15年38卷第6期＼Image＼26T2.tifgt;

圖2 LMH6502可調增益放大器圖

4.1 "測試方案與測量結果

測試方案：輸出級加上50 Ω負載，將輸入端短接，測量輸出端噪聲峰峰值，調節放大器增益，測量不同帶寬，不同增益時的放大器的幅頻響應。

（1） 通頻帶增益測量測試，如表1所示。

結論：由上表可知，頻帶內增益特性均達到要求。

（2） 最大電壓增益及最大增益起伏測試，如表2所示。

表2 通頻帶增益起伏特性

（3） 輸出電壓噪聲測量。將增益設置為60 dB，輸入端短路到地，記錄輸出端電壓峰-峰值VONPP=93 mV。

（4） 放大器輸入阻抗及負載的測量。

電路的輸入阻抗為50.3 Ω，電路的負載電阻為49.2 Ω。

4.2 "測試結果分析

由測試結果發現本系統基本滿足題目中各項要求，系統能夠完成各項指標主要得益于選擇器件的準確性。選擇高增益高帶寬運放和可調高增益可衰減器件LMH6502，并且采用多種抗干擾的措施，如使用了SMA頭作為輸入級，使用屏蔽盒進行信號屏蔽，嚴格遵循芯片廠商的布線意見。

根據測試結果可知放大器的最大增益，最小輸入電壓，最大輸入電壓，最大輸出噪聲，帶負載能力等都達到了設計的要求。在進行個別項測試時由于空氣中以及各種儀器中存在的噪聲比較大，所以對前級放大電路做了屏蔽。

5 "結 "語

本設計是基于單片機MSP430G2553的射頻寬帶 " " " " " " " " " " "放大器，選擇了高增益寬帶運放OPA695和可控增益放大器LMH6502，通過單片機控制可實現0～60 dB增益可調，并且滿足了0.3～100 MHz頻率內具有很好的平坦性。從測試結果來看，驗證該系統可行性和實用性。

參考文獻

[1] 王蓉暉，劉鋼.射頻寬帶放大器的設計[J].吉林工程技術師范學院學報，2014，30（5）：89?90.

[2] 聶震，莫波，楊宗霖.寬帶直流放大器的增益控制設計與研究[J].單片機與嵌入式系統應用，2014，25（3）：35?38.

[3] 全國電子設計競賽組委會.全國大學生電子設計獲獎作品選編2003[M].北京：北京理工大學出版社，2004.

[4] 高吉祥.全國大學生電子設計競賽培訓系列教程[M].北京：電子工業出版社，2009.

[5] 梅杰，劉雅嫻，曾天龍，等.增益可調的射頻寬帶放大器設計[J].電子世界，2014（7）：148?149.

[6] TI. LMH6502 wideband， low power， linear?in?db variable gain amplifier [EB/OL]. [2013?11?02]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/lmh6502.pdf.