程控可变增益放大器参赛队员：摘 要本系统由宽带放大器 OPA847、压控放大器 VCA810和电流型运放 OPA695组成。系统前级通过 OPA847实现 10倍固定增益放大，中间级由压控放大器 VCA810实现 0.055V/V增益变化，后级由 OPA695和继电器实现 525V/V增益变化，末级由电阻网络进行 10倍衰减，达到0dB60dB增益范围可调。系统采用屏蔽盒进行电磁屏蔽，提高稳定性和抗干扰能力。经测试，系统达到了题目所设定的所有指标。关键词：放大器， VCA810， OPA847 ，OPA695AbstractThe system is designed with a broadband amplifier OPA847, Voltage controlled amplifier VCA810 and current-feedback operational amplifier OPA695.In the first stage, the system can achieve 10 times fixed-gain by OPA847.Then, in the intermediate stage, it uses VCA810 to achieve 0.05 5V / V gain range. In the latter part, the system achieves 5 25V / V gain variation by OPA695 and relays. In the last stage, the system achieves 10 times attenuation by the resistor network, so that the overall gain can be adjusted in the range of 060dB. In order to improve the stability and anti-jamming capability, the system uses the shield case to carry electromagnetic shielding. According to the test, all the indicators of the topic have reached .Keywords：RF broadband amplifier，VCA810，OPA847，OPA695目录1、 方案论证1.1、 60dB 增益设计1.2、放大增益可调设计1.3、系统框图2、理论分析与计算2.1、宽带放大器设计2.2、频带内增益起伏控制2.3、射频放大器稳定性分析12.4、增益调整2.5、放大器带宽设计3、电路与程序设计3.1、前期固定增益电路设计3.2、VCA 电路设计3.3、后级电路设计4、系统测试4.1、测试仪器4.2、测试方案及测试条件4.3、测试结果及分析5、参考文献输入VCA810输出输出21、方案论证1. 60dB 增益设计方案一：采用三极管实现。采用开环增益低的三极管，级内反馈，避免大环反馈，容易处理，且三极管放大电路频率响应较好。方案二：宽带运放实现。采用高带宽，大压摆率的宽带运放实现 60dB放大。由于运放由于具备高开环增益、高输入阻抗和低输出阻抗，所以由运放构成的放大器电路具备更好的线性，但由于运放的高开环增益以及反馈机制的存在，运放电路的频响一般较差。方案一采用三极管放大，具有很好的频率响应，但由于分立元件，在高频小信号传输时会引入很大噪声，造成系统不稳定。方案二虽然集成运放的频率响应较差，但集成运放具有很好的稳定性，且增益易于控制。综合考虑，本次设计采用方案二的方式实现 放大60增益。2. 放大增益可调设计方案一：固定增益与电阻网络衰减。通过前级放大电路进行固定增益放大，后级由电阻网络衰减，如电位器，实现 060dB范围内增益可调。方案二：采用压控放大器。采用压控放大器(VCA)，其增益可有外部电压控制，实现一定范围内增益步进可调。方案一采用电阻网络衰减，电路结构简单，易于实现。但由于系统输入信号为1M100MHz，在高频信号下，电阻的特性发生改变，使其具有电感和电容的性质，对信号造成很大干扰。方案二采用 VCA实现增益可调，但由于运放带宽及增益限制，调节范围较小。综合考虑，本次设计采用方案一和方案二结合的方式，前级采用固定增益变化，后级由 VCA控制，实现放大增益可调。3. 系统框图本系统由 OPA847单级放大 10倍，中间级通过压控放大器 VCA810实现 0.055V/V倍增益控制，后级电路通过 OPA695实现 5倍固定增益，末级由继电器切换进行 5倍增益放大和10倍电阻网络衰减。系统框图如图 1所示。1 0 倍固定增益（ O P A 8 4 7 ）0 . 0 5 倍 5 倍增益（ V C A 8 2 4 ）5 倍固定增益（ O P A 6 9 5 ）5 倍固定增益（ O P A 6 9 5 ）1 0 倍衰减（ 电阻网络 ）输入输出继电器 继电器图 1 系统框图32、理论分析与计算1. 宽带放大器设计通过方案论证，宽带放大器采用集成运放实现。题目发挥部分要求输入信号有效值时，输出电压有效值 ，即峰峰值为 ，频率为 100MHz时下降1 1 2.8283dB，则末级运放压摆率为：（1）21002.828=1776/同时，题目要求电压增益 ，输入信号频率为 100MHz，则若采用单级放大，要求60运放增益带宽积为：（2）=1000100=100目前运放无法实现单级放大 60dB，因此本系统采用多级放大实现 60dB增益可调。前级采用固定增益，由宽带高压摆率运放 OPA847实现 10倍增益。中间级通过压控放大器 VCA810实现 0.055V/V增益可调。VCA810 带宽为 350MHz，增益范围 040dB范围可调，可完全达到题目指标要求。后级由继电器切换，实现最终 060dB范围可调。2. 频带内增益起伏控制本系统前级固定增益放大，根据 OPA847Datasheet提供，其增益为 G=12时，带宽高达600MHz，可达到题目发挥部分要求“1MHz80MHz 范围波动 ”的指标要求。60同时，根据测试结果可以得到，系统增益在 0dB时，输出波形质量有些许抖动，但无明显失真，在 后，系统输出信号质量较好，波形稳定区失真。输出波形失真是由于在10低增益时，输入信号为微弱高频小信号，很容易受外界干扰，且由于频率范围较宽，示波器采样等也会带来一些影响。（2） 放大器 带宽测试3根据测试方案，放大器 测试结果如表 3所示。3表 3 放大器 测试结果3测试条件 ，频率为 ，=10 =15=50设置增益/dB 0 10 20 40测试结果/mV 10.3 31.7 100.2 1001.0波形质量 无明显失真 无失真 无失真 无失真测试条件 ，频率为 ，=1 =80=50设置增益/dB 0 40 60 06测试结果/mV 1.5 100.1 1005.0 1200.1波形质量 抖动 无失真 无失真 无失真测试条件 ，增益 60dB=1频率设定/MHz 0.12 0.3 1 10 50 80 100频带增益/dB 57.2 58.0 60.3 60.0 59.5 60.1 58.0增益起伏 /dB 2.8 2.0 0.3 0 0.5 0.1 2.07注：增益起伏= |频带 增益 设 定增益 |从测试结果可以看出，系统在 1M100MHz内，输出信号幅值最大时对应增益为 60.3dB，输出信号幅值最小时对应增益为 59.5dB，则根据题目要求，频带内增益起伏为：（6）=60.359.5=0.8100达到了题目的带宽要求。（3） 输出噪声电压测试根据测试方案，在增益为 60dB时，通过示波器观测，系统输出噪声峰峰值为 80mV，满足题目的“小于 100 mV”要求。且本设计通过屏蔽盒，将作品与外界环境进行隔离，则系统主要噪声来源为供电电源引入的工频干扰和屏蔽不彻底带来的电磁干扰。参考文献1 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编M.北京：北京理工大学出版社.2007.2 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计M.北京：北京航空航天大学出版社 2006.3 塞尔吉奥弗朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计M.西安：西安交通大学出版社 2010.4 康华光.电子技术基础(模拟部分)M.武汉：高等教育出版社 1979.