2015年电子设计竞赛—增益可控射频放大器

这篇博客将详细讲解在做电赛题目—增益可控射频放大器的一种解法及注意事项

（2017年题目已更新，请在主页查看）

一、题目解析

综合基础和发挥部分，题目要求如下：

（1）输入信号小于14.14mVpp，经放大电路后大于5.6Vpp，即放大电路最大增益在52dB以上

（2）在50MHz到160MHz同频带内，增益可控范围为12dB到52dB，增益控制步长为4dB，增益控制误差为2dB，通带内增益波动不超过2dB

（3）放大电路的-3dB带宽下限小于40MHz，上限大于200MHz

（4）放大电路对于小于20MHz和大于270MHz的信号增益不大于20dB

（5）放大电路负载为50Ω

（6）提供+12V电压，其他所需电压自行转化

 

所以，这道题目要求的是一个带通增益可控放大器，下面将讲解一种常规解法：

二、题目求解

2.1低噪放选择

首先，对于如此小的信号我们需要一个低噪声前级（这里插一嘴，信号源输出的14.14mVpp信号很脏很脏。。），需要高放大倍数和低噪声，从而提高信噪比，选择过程如下：

（1）暂且将每一级的增益设定为10倍，两级串联形成100倍放大，考虑电缆线阻抗匹配后为25倍，放大后的信号为0.353Vpp（通过模块板实现，每个板子只有一个放大器，每级之间阻抗匹配）

（2）如果选择电压反馈运算放大器则要求放大器的GBW≥2GHz，这样的宽带放大器虽然有不少，但是极大限制了选择范围；但是对于电流反馈放大器，带宽和增益不是正比例下降，对于高增益实现起来较为容易

（3）压摆率大于0.1765×2×π×200M=221V/us

（4）噪声要求低于信号本身至少100倍，也就是输入噪声电压密度小于

（5）电源暂不做要求，需要啥用12V转化就行

从ADI和TI的官网中根据上述条件和手头器件选择了电流反馈型运放AD8099，电路原理图和PCB布线图如下：

2.2程控增益级选择

增益变化范围从12dB到52dB，40dB的变化范围可以通过VCA821实现，但是根据器件手册，VCA821如果设计为±20dB变化，在200MHz会有很大衰减，所以需要在原有电路上修改，即通过增益电阻RG并联电容来扩展带宽，具体操作如下图：

这是器件手册中给出的解决方案，在实际测量过程中选择RG为75Ω，C9为4p，不接，PCB图如下：

 

2.3滤波器选择

滤波器部分是该题的一个设计难点，首先可以计算一下阻带衰减速率：，这对于由运放组成的滤波器来说实现困难，首先级数需要很多，其次对于200MHz频率较高，可能出现高频馈通现象。所以这里选用无源滤波器中的椭圆滤波器。

椭圆滤波器的设计过程较为简单，可以通过filtersolution实现，主要的难点在于其硬件调试过程，实际做出来和设计完全是两码事，这里我总结几点调试经验仅供参考：

（1）截止频率低于1MHz的椭圆滤波器，所需电感值较大，而对于一般贴片电感来说，感值越大可以流过的电流越小，所以极大的限制了输入信号电压范围，因此需要在低频段需要选用能流过大电流的色环电感

（2）随着频率升高，所需电感值越来越小，所以这时额定电流已经不是电感选择的主要因素，谐振频率成为了主要，拿这道题来说，200MHz的通带频率所需的电感值为48nH，采用椭圆滤波器的π型结构，则与电感并联的电容仅在10nF，如果仍然采用普通层结贴片电感，其谐振频率只有几百兆，根据自谐振频率的计算公式，可以算出此时电感自身的电容也是nF数量级，甚至大于设计出的电感值，这将对电路的幅频特性产生很大影响，所以需要选择自谐振频率远高于所需通带频率的贴片电感。

（3）为了组合出需要的电感电容，可以通过电容或者电感的串联和并联来实现，对于电感最好选用串联组合，这将减小电感并联电容的影响（但是同时也增大了电感ESR的影响）；对于电容需要选用并联组合，这样可以减小ESR影响（这一点很重要，亲测有效）

（4）随着椭圆滤波器阶数的升高，电容电感非理想特性带来的影响在增大，曾做了一个礼拜的椭圆滤波器，但是在四阶之后就实现难度较大。

（5）淘宝上有买椭圆滤波器的，性能很好，对于参加竞赛的学生来说可以在比赛期间购买，下面这张图就是定制的200MHz通带频率，阻带衰减32dB，通带纹波1dB的椭圆滤波器实物图：

                                                    

（6）相对于低通椭圆滤波器，这道题的高通椭圆滤波器设计显得较为容易，对于40MHz的通带频率不高，没有太多问题，但是其中的电感也要选用高频电感，否则高通滤波器随着频率升高增益在下降。但是仍有的问题是，高通滤波器在通带内会有一个固定的衰减，尚不明原因。

（7）有的人想在这里做带通，理论上可行，但是实际调试过程中带通调试较为复杂。

2.4输出级选择

本题输出级需要在50Ω负载上达到5.656Vpp的信号，如果考虑阻抗匹配就需要输出11.3Vpp的输出电压，所以需要一个大电压的输出级，指标如下：

（1）放大倍数需要选择两倍以上，否则后级没有任何意义

（2）压摆率要求8000V/us以上

（3）输出电流要求达到56mA

通过查找TI和ADI官网上的大电压运放，选出唯一合适的THS3491DDA，将后级分为两级，第一级放大7.25倍，第二级放大4倍并输出。

电路PCB如下：

 

在使用THS3491的时候有几个注意事项：

（1）散热要做好。上面的PCB布局是我修改的，原因就在于原版在背面放了元件导致没有办法放散热片，而散热不好直接影响THS3491的输出电压范围，这一点的依据可以在THS3491的评估板说明中见到（其实THS3491的输出电压是随着频率增加而下降的，在200MHz的时候器件手册给出只有10Vpp，但是亲测在增益较小时输出电压可以增大）

（2）上电顺序要注意。THS3491的最大值的表格中说明了上电和掉电电压的最大电压变化速率为1V/us，如果超过了这个值会造成正负电源的短路，进而产生过电流烧毁运放。解决办法有两个都要涌上：第一，在电源入端增加磁珠（磁珠的危害也要考虑到，详见https://blog.csdn.net/weixin_41198651/article/details/100128915）；第二，先接线再通过电源直接上电，而不要先开电再接线。（烧了6块芯片的选手路过。。。）

3调试记录

（1）电源的去耦电容没有做好会导致电路幅频特性的改变。在调试过程中，接上前两节AD8099和VCA821发现幅频特性比较理想，通带内平坦，但是接上THS3491后发现在130MHz处出现增益的突然隆起，然后再凹陷。通过分线器逐级查找原因，发现这个隆起竟然在第一级AD8099的输出就出现了，去掉THS3491隆起消失。然后在隆起处用示波器查看电源，发现电源出现同频波动，分析原因可能是：虽然各级之间仅是输出和输入之间的关系，没有反馈存在，但是实际上在电源和地线中存在反馈，THS3491的大电流会在电源电阻中产生电压变动，进而影响输出。解决措施如下：电源线加粗；电源上并联1nF小电容去耦。

（2）椭圆滤波器先接高通再接低通，滤除高通产生的噪声

（3）能加屏蔽尽量加屏蔽，否则一举一动都会耦合到电路中

（4）AD8099的补偿引脚要使用好，可以手捏幅频特性很方便

（5）VCA821的输出特性很诡异，最好加一级跟随再接THS3491

 

欢迎大家斧正！