射频宽带放大器

【摘要】本设计采用STCC52单片机控制放大器的增益，使用低失真、低噪声、宽频带的THS3091和具有程控增益调整功能的AD603集成运算放大芯片完成放大功能。该放大器的设计分为三级放大，第一级为THS3091来完成，其放大增益为20dB，第二级和第三级由AD603来组成，将两级中AD603的GPOS脚接于数模转换模块再接到单片机由单片机对GPOS脚电压进行控制来实现增益的控制，设计出的放大器增益从0—60dB可调，电压增益步进为25mV/dB，系统通频带为0—80MHZ。

关键字：STCC52  THS3091  AD603  增益   通频带 

【 abstract 】 this design adopts the STCC52 single-chip microcomputer control the gain of the amplifier, Using low distortion, low noise, wide band THS3091 and with functions of programmable gain adjustment of AD603 amplification functions performed integrated. The amplifier design is divided into three amplifier, the first level for THS3091 to complete, the amplifier gain for 20 db, the second and third level consists of AD603 , To connect two AD603 GPOS in foot on d/a conversion module and then received a single-chip microcomputer by single chip microcomputer to control foot GPOS voltage to achieve gain control， design of the amplifier gain adjustable from 0 to 60 db, the voltage gain step 25mV/db, system passband of 0-80 MHZ.

Key words: STCC52  THS3091  AD603  gain  passband

一、引言

随着微电子技术的发展，人们迫切地要求能够远距离随时随地迅速而准确地传送多媒体信息。于是，无线通信技术得到了迅猛的发展，技术也越来越成熟。而射频宽带放大器是上述通信系统和其它电子系统必不可少的一部分。所以增益高、频带宽，且增益可调的放大器就提供更多的方便，更受欢迎。为此我们设计这样一个放大器是非常有意义的。

二、设计方案的论证和选择

1、方案的比较

方案一：以STCC52单片机为主控器件，放大分为三级：前级放大、增益控制、后级放大。前级和中间级采用高速运放OPA820ID实现，OPA820提供一种宽频的单位增益稳定的，有一个很低的输入噪声电压和使用一个低的5.6mA供应电流产生高输出电流的电压反馈放大器，而第三级采用THS3091（THS3091具有，高电压、低失真、宽频带、高压摆率的电流反馈放大电路）进行末级放大，其中中间级由单片机通过D/A模块对其增益控制，但由于第一级运放中系统供电电源为5V，提供2.5V偏置电压，但由于偏置电压的存在及各级间的相互影响因数信号的放大倍数将受到。

方案二：以STCC52单片机为主控器件，同样分为三级放大，其中第一级是由THS3091来对信号首先进行放大20dB，第二三级则用具有程控增益调整功能的AD603（低噪、90MHZ带宽）控制，而二三级之间采用顺序控制的方式连接，达到控制增益更精确，电路结构简单，实现更容易。而且二三级采用级联使得放大器的放大倍数变为单极放大倍数的两倍，达到了设计所需的增益范围。

2、方案的选择

以上两个方案中，方案二能实现我们设计的要求，而且其原理和电路设计更加方便简单，故我们选用方案二。该方案中STCC52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储在单芯片上。掉电保护方式下，RAM内容被保存，该单片机功能强大，价格便宜，是控制首选的芯片。在设计该放大器时，我们需要将编好的程序存储到该单片机中，并且由单片机发出命令给D/A模块来控制AD６０３的增益;同时也选用了THS3091芯片，该芯片由于有宽电源电压范围5V—15V、低失真、低噪声高压摆率电流反馈的优点，适合用于高频放大电路中，将THS３０９１作为第一级放大正是由于它的低噪声和低失真，因为在放大器中，输入信号非常小，所以一个很小的噪声信号经过放大后就会变成大信号，干扰我们的有用信号;AD603也具备了低失真、低噪声的优点，而且增益的调节与其自身的电压值无关，而仅与其差值VG有关，由于控制电压GPOS/GNEG端的输入电阻高达50MΩ，因而输入电压很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小，以上特点很适合构成程控增益放大器，，且能在高宽带的情况下还有较高的增益，由于以上这些特点正是我们设计所需的，故我们选取方案二。 

三、理论分析与计算

本设计要求射频宽带放大器的增益AV≥60dB，故将放大器的放大倍数设为10×10×10进行放大，即每级放大20dB，同时需要在0—60dB范围内为可调，但THS3091的增益为20，0—20范围内不满足，此时AD603就必须来弥补这个缺陷，故我们将AD603的增益范围调节为-11—31dB，有两级放大，其增益就为-22—62dB，三级结合则刚好满足了0—60dB的要求；对于放大器的增益则是通过控制第二、第三级的GPOS（1脚）和GNEG（2脚）之间的压差来实现，增益与GPOS脚的控制电压为当VG在-500—+500mV范围内时以40dB/V进行线性变化，关系式为：G（dB）=40VG+10，所以我们将两级间的电压Vg设置为1V，第二第三级之间的连接方式采用顺序连接，这时增益的变化范围就会增大，因为此连接方式时增益的放大是一级一级变化的，只有当第一级增益达到最大值时时第二级的增益才从最小值开始变化。放大器频带内的增益起伏和放大器的稳定性则是通过单片机来进行控制，增益起伏由单片机发出信号给数模转化模块来改变控制电压VG来实现。而其稳定性则是通过输出信号的变化通过模数转换模块反馈给单片机，单片机通过反馈信号又控制VG，对增益进行校正和补偿。

四、系统的硬件设计

１、系统的原理框图 

２、系统的模块设计

放大模块：

第一级放大： 在一级放大电路中，主要的元件就是THS3091，信号从J1和J2口输入，留有open的为空脚，以备调试时需添加元件使用。电路图如下

二三级放大：第二级第三级的连接方式基本完全相同，但是这两级之间则采用顺序控制方式，这种控制方式是将两片AD603的两个正增益输入端（GPOS）以并联的形式由一个电压VG驱动，而两级的负增益控制输入端分别加一个稳定的电压，使得两级压差Vg=1V，这种控制方式的增益是第一级达到最大后第二级才从最小值开始，这就有利于我们控制增益的步进值，即步进值将会更小，控制更精确，同时在这种控制方式中，ISNR（即时信噪比）在增益控制范围内维持可能的最高水平。其连接图下所示：

单片机及数模转换模块：因为放大器的控制采用单片机则变得更加的方便，但是单一的单片机不能识别模拟信号也不能产生模拟信号，所以需要数模转换模块来作为中间的翻译，同时该模块上还做了两个按键分别作为加减键。

电源模块：由于测试时只会提供220V交流电，所以必须设计一个电源模块来给系统供电。该系统的各个模块所需要的电压不一样，放大模块需要的电压是±5V,单片机需要稳压5V，而数模转换模块则需要±12V，为了满足需要，我们设计了电源模块为5路输出。

五、软件设计

增益的调节与其自身的电压值无关，而仅与其差值VG有关，所以我们只需用单片机控制VG的大小即可，在软件设计中，将VG电压的步进值设有13mV和40mV两个挡，13mV为细调，40mV为粗调。其设计框图如下：

六、系统测试

1、测试的方法

增益的测试：

第一级测试：用高频信号发生器输出30MHZ、1mv有效值的正弦波信号，加入到射频放大器的第一级输入端，用示波器测量得到有效值为10.1mV的正弦波信号，实现了前级20dB的信号放大，由于级间采用电容耦合方式，测量此时前级直流量为0.001v，前级对直流量得到了很好的抑制。

第二级和第三级放大电路测试：首先将第二级的AD603芯片的2引脚的点位通过电位器调为0.7V，将第三级的AD603的2脚的电位调节到1.7，保持这两只脚的压差保持在1V的压差。由第一级输入30MHZ、1mv的有效值的正弦波信号，由单片机控制D/A转换输出0.2-1.2V的电压，此时通过单片机可以控制VG的电压在-0.5V-0.5V的波动，可以保证AD603的增益和VG的关系为25mv/dB的变化，观察输出端的信号，得出信号的有效值为1.02V。

通频带和增益的测试（KC901）：

2、测试的仪器

XFG—7高频信号发生器   HFJ—8D超高毫伏表   RIGOL DS1042C示波器

KC901H扫频仪

七、参考文献

[1] 谢自美（主编）电子线路设计·实验·测试（第二版）武汉：华中理工大学出版社，2007.7

[2] 刘瑞新等.单片机原理及应用教程.北京：机械工业出版社，2005

[3]王东锋.王会良.董冠强（编著）单片机C语言应用100例 ,2012.7

[4]陈永真等.全国大学生电子设计竞赛试题精解选.电子工业出版社.2007

[5]（日）稻叶 保著.模拟技术应用技巧101例，2012

[6]童诗白 华成英.模拟电子技术基础.高等教育出版社，2006

[7]张玉兴.赵宏飞等译 射频与微波功率放大器设计.电子工业出版,2006

附录一

附录二

……

附录三

  #include

#define uint unsigned int

uint date,car;

sbit key=P2^1;

sbit key1=P2^2;

void DelayUs2x(unsigned char t)

{   

 while(--t);

}

void DelayMs(unsigned char t)

{

      while(t--)

 {

     DelayUs2x(245);

     DelayUs2x(245);

 }

}

void main()

{

date=0x80;car=0x80;

P1=0x80;P0=0x80;

while(1)

{ 

if(key==0)  

    {

 DelayMs(15); 

if(key==0)

{

while(!key);

date=date+0x01;

P1=date;

    }

}

 if(key1==0)  

    {

DelayMs(15);

 if(key1==0)

{

while(!key1); car=car+0x01;

P0=car;

    }

}

}