[电子设计大赛]射频宽带放大器设计报告

射频宽带放大器
摘要：该设计实现的射频宽带放大器，由固定增益放大部分、可变增益放大部分、单片机控
制部分组成。固定增益放大部分由宽带电流反馈型运算放大器OPA695构成，采用同相放大电
路，可变增益放大部分由宽带低功耗可变增益放大器LMH6502构成。单片机控制部分由
STM32F103VBT6核心电路、键盘、12864液晶、DAC组成，通过键盘输入所需增益值并显示在
LCD12864上，由单片机控制DAC输出电压来调整LMH6502增益，实现了在80KHz-120MHz的带宽
范围内0-67dB的增益连续可调，带内增益稳定。当增益大于60dB，在输入电压有效值等于1mV
的信号时，负载端最大输出为1.2V有效值。经测试，系统工作稳定，性能可靠，结构简单，
满足任务设计要求。
关键词：宽带放大、可变增益放大器、射频
目 录
1、 设计任务 … 1
1.1、基本要求 … 1
1.2、发挥部分 … 1
2、 方案论证 … 1
2.1、宽带放大电路的设计论证 … 1
2.2、增益控制电路的设计论证 … 1
2.3、供电电路的设计论证 … 2
2.4、总体方案确定 … 3
3、理论分析与计算 … 3
3.1 宽带放大器设计 … 3
3.2 频带内增益起伏控制 … 3
3.3 射频放大器稳定性 … 4
3.4 增益调整 … 5
3.5 程序设计 … 6
4、测试结果与误差分析 … 6
4.1、测试仪器 … 6
4.2、测试方案及测试结果 … 7
4.2.1 输入输出电阻测量 … 7
4.2.2 程控增益测量 … 7
4.2.3 输出噪声测量 … 7
4.2.4 带内增益起伏及上下限增益测量 … 7
4.3、测试结果及分析 … 8
5、结论、心得体会 … 9
5.1、结论 … 9
5.2、心得体会 … 9
6、 参考文献 … 9
附录1、元器件清单 … 10
附录2、完整电路原理图 … 11
附录3、部分程序清单 … 12
1
1、设计任务
设计并制作一个射频宽带放大器。
1.1、基本要求
（1）电压增益Av≥20dB，输入电压有效值Ui≤20mV。Av在0～20dB范围内可调。
（2）最大输出正弦波电压有效值Uo≥200mV，输出信号波形无明显失真。
（3）放大器BW-3dB的下限频率fL≤0.3MHz，上限频率fH≥20MHz，并要求在1MHz～15MHz
频带内增益起伏≤1dB。
（4）放大器的输入阻抗= 50Ω，输出阻抗= 50Ω。
1.2、发挥部分
（1）电压增益Av≥60dB，输入电压有效值Ui≤1mV。Av在0～60dB范围内可调。
（2）在Av≥60dB时，输出端噪声电压的峰峰值UoNpp≤100mV。
（3） 放大器BW-3dB的下限频率fL≤0.3MHz，上限频率fH≥100MHz，并要求在1MHz～80MHz
频带内增益起伏≤1dB。该项目要求在Av≥60dB（或可达到的最高电压增益点），最
大输出正弦波电压有效值Uo≥1V，输出信号波形无明显失真条件下测试。
（4）最大输出正弦波电压有效值Uo≥1V，输出信号波形无明显失真。
（5）其他（例如进一步提高放大器的增益、带宽等）。
2、方案论证
根据题目要求，系统需在较宽的频带内实现0~60dB 的增益可调，且具有较好的带内平坦
度，实现的关键和难点技术在于宽带放大、增益控制电路的设计。
2.1、宽带放大电路的设计论证
方案一：选用分立的射频三极管或场效应管实现宽带放大，射频分立元件具有带宽高、调节
灵活的优点，能以相对低廉的成本实现较高的性能，但其参数设计复杂、调试难度较高。
方案二：采用运算放大器搭建放大电路，运算放大器的参数设置较分立元件简单，随着工艺
水平的提升，高速高带宽的运放已不罕见，其中高速运放分为电压反馈型运放和电流反馈型
运放，由于电压反馈型运放存在增益带宽积的限制，基于题目要求实现截止频率为100MHz 的
宽带放大要求，因此选用高速电流反馈型运放更为合理。
方案三：使用集成射频宽带放大芯片。集成射频芯片具有低噪声，电路简单，灵敏度比较高
等优点，但大部分集成射频芯片增益固定，在不同频带内具有不同的倍数，使得信号在通频
带的平坦度难以保证。
2.2、增益控制电路的设计论证
方案一：使用双栅场效应管实现增益控制，双栅场效应管工作频率很高，且具有高跨度、低
噪声系数、低反馈电容的优点，但双栅场效应管的匹配困难且使用较为复杂。
图1 方案一原理框图
2
方案二：通过单片机对继电器的切换实现40dB、60dB、80dB 的增益档位，并利用乘法型DAC
将输入信号作为参考电压，实现-20 dB 到0dB 的衰减及每一档位内增益的连续可调，由于DAC
具有较大的输入、输出幅度和较高的增益分辨力，可采用程序校准控制增益起伏。增益控制
电路的带宽选择决定了系统的整体性能，使用DAC 的衰减可实现高精度的增益控制，方法巧
妙，但由于题目要求带宽为300kHz 到80MHz，而乘法型DAC 本身固有的乘法带宽难以满足如
此宽带要求。
图2 方案二原理框图
方案三：使用高带宽的乘法器将输入信号与DAC 输出的直流电压进行乘法变换，当DAC 输出
电压改变时系统的输出也能随之发生改变，乘法器输出信号不稳，噪声引入很大，不能满足
要求。
图3 方案三原理图
方案四：选用VGA 芯片实现程控增益，由MCU 控制DAC 输出电压作为参考电压改变VGA 芯片
的增益，配合其余放大模块，实现增益连续可调。VGA 芯片是一个较好的选择，不同VGA 的
衰减放大性能都不相同，例如AD8367 增益范围为正，无法对信号进行衰减，而切换权电阻衰
减网络需要控制大量的继电器，电路形式较复杂，容易引入不必要的干扰，LMH6502 的-40dB
至20dB 增益控制则恰好满足题目要求。
图4 方案四原理图
2.3、供电电路的设计论证
方案一：系统使用同一电源供电，输入端采用电容和磁珠组成的滤波电路来滤除整流电路输
出电压中的脉动成分，供电简单，但各级之间电源容易相互干扰，该供电方式未被采用。
方案二：制作多路电源对各级模块独立供电，完全独立各级电路的静态工作点，但是为每一
个电路都制作一个电源电路的硬件复杂度会大大提升。
方案三：各级电路由稳压芯片隔离供电，减少各电路之间供电电压的相互影响，在三个方案
3
中最为可取。
2.4、总体方案确定
题目要求系统在全频带内实现较稳定的增益，系统设计应考虑放大电路的级间匹配以及
电路板布局布线引起的信号完整性问题，电路结构本身应该尽可能简单，防止信号反射和串
扰的产生。运算放大器对信号的放大有着更好的带内平坦特性，所以将它作为放大级使用。
通过方案之间的比较，本系统采用超宽带电流反馈型运放OPA695 实现固定增益放大，为避免
运放的噪声对系统造成影响，选用双刀双掷继电器，将放大级与信号隔离。级间均串联一50
Ω电阻使其阻抗匹配。由STM32F103VBT6 单片机控制12 位数模转换器TLV5616 改变LMH6502
的电压增益，并将其在液晶上显示。方案总体原理图如图5 所示。
图5 总体方案原理图
3、理论分析与计算
3.1 宽带放大器设计
宽带放大器每一级的带宽和压摆率都至关重要，带宽决定了小信号通路时的放大器的速
度，而压摆率主要决定在大信号通路时放大器的速度。本系统采用压摆率4300V/us ，单位
增益带宽1500MHz 的电流反馈型运放OPA695 设计前两级各20 倍增益的微弱信号同相放大电
路和末级10 倍推动电路，各级间采用50Ω匹配，第二级和末级并联在通频带内对信号影响
很小的HRS2H-S-DC5V 双刀双掷继电器实现切换功能，级间使用LMH6502 实现0.1 至2 倍的可
变增益控制，实现60dB 的增益控制，经测试在2 倍增益条件下LMH6502 的带宽及平坦度满足
题目要求
3.2 频带内增益起伏控制
单级测试时OPA695 的性能完全满足题目要求，在实现了阻抗匹配后，系统带宽受LMH6502
的带宽限制，增益会随频率升高而下降，由于增益带宽积的存在，LMH6502 的在放大倍数较
低时能实现相对较高的带宽，程控增益级采用负反馈技术使电路输出返回到输入端并使输入
信号减弱降低增益来展宽频带，并在前后级适当提高放大倍数减小LMH6502 的放大增益控制，
提高了LMH6502 的带宽使得整体通带内电压变化平缓，经测试满足系统要求，避免了多余的
软件校正。
4
图6 LMH6502 增益控制电路
3.3 射频放大器稳定性
系统采用的由运放搭建的同相放大电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。在高频宽带情
况下当输出的阻抗不匹配时，信号会产生反射，使得输出波形发生混叠引起波形失真。为解
决级间反射，本系统对运放的输出进行串行匹配，匹配阻值为50Ω，在牺牲放大倍数的同时
实现了最大功率传输并解决了反射问题，同相放大电路如图7 所示。
图7 同相放大电路
系统的供电设计也应加以考虑，从示波器观察电源的输出，波形中含有较大的脉动成分，
对于类似于本系统的高增益放大，纹波可能会造成系统自激，为获得比较理想的直流电压，
本系统采用电容和磁珠组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分。同时采用稳
压芯片对每一级电路进行隔离供电，使其相互独立工作。电源隔离电路如图8 所示。
5
图8 电源隔离电路
3.4 增益调整
由于系统中VGA 芯片的输入超过一定值时放大信号会产生失真现象，因此有必要在不同
增益时合理的分配增益。当增益范围为0~20dB 时，两继电器全部断开，依靠第一级的固定
6
20 倍放大与LMH6502 提供增益；当增益范围为20~40dB 时，为避免LMH6502 输入信号过大，
优先级联后一级继电器；当增益范围大于40dB 时，两继电器全部开启，LMH6502 放大倍数在
0.2~2 倍以内可调。增益分配如表1 所示。
表1 增益控制分配
增益范围 0~20dB 20~40dB 40~60dB
继电器1 断开 断开 开启
LMH6502 0.1~1 倍调节 0.2~2 倍调节 0.2~2 倍调节
继电器2 断开 开启 开启
3.5 程序设计
本作品MCU 采用基于Cortex-M3 内核的STM32 单片机控制增益调节。由键盘输入所需增
益值并显示在LCD12864 上，单片机对相应继电器及LMH6502 作出相应操作改变系统增益大小。
程序流程图如图9 所示。
图9 程序流程图
4、测试结果与误差分析
4.1、测试仪器
表2 测试仪器表
序号 仪器名称
1 TDS3054B 500MHZ 5GS/s 泰克示波器
2 F120型数字合成函数信号发生器
3 SG2270 超高频毫伏表
7
4.2、测试方案及测试结果
4.2.1 输入输出电阻测量
输出电阻测试：用信号源给系统输入端一个电压，在系统输出端测量信号，测量完成后
接上50 负载再次测试输出幅度，经计算就可得到输出阻值。
输入电阻测量：用信号源给系统输入端一个电压，在系统输入端测量信号，看信号的衰
减幅度，并在空载时测量信号源输出幅度，经计算就可得到输入阻值。
表3 程控增益测量数据 阻值单位： 
输入阻值 输出阻值
50 50
4.2.2 程控增益测量
调整信号源输入电压Vrms 为1mV，系统输出级接50Ω电阻到地作为负载，将示波器
设置为1MΩ，按键输入需要的放大倍数，用示波器观测输出波形幅度是否符合要求，具
体数据如表4 。
表4 程控增益测量数据 幅度单位： rms mV
测试倍数 1 5 10 25 50
理论输出 1.0 5.0 10.0 25.0 50.0
实际输出 1.05 5.1 10.1 25.7 50.2
误差 5.0% 2.0% 1.0% 2.8% 0.4%
测试倍数 100 250 500 750 1000
理论输出 100 250 500 750 1000
实际输出 100 257 503 755 999
误差 0.0% 2.8% 0.6% 0.7% 0.1%
4.2.3 输出噪声测量
输入有效值为1mV、频率1MHz 信号，调整放大增益，从示波器上读得电压增益为60dB，
此时将信号源与系统断开，输入端短路到地，此时观测噪声的峰峰值。
表5 输出端噪声值 幅度单位： pp mV
输出端噪声值 148
4.2.4 带内增益起伏及上下限增益测量
保持输出电压U V O 1 ，此时保持信号源输出幅度不变，改变信号源的频率，在波形
无明显失真情况下测量输出信号的幅度，直到其降为输出电压的0.707 倍。
8
表6 通频带电压增益测量数据 幅度单位： rms V
频率单位： MHz
输入信号频率 输出幅度
0.08 0.710
0.30 0.927
1.00 0.953
10.0 1.020
20.0 1.040
30.0 1.050
40.0 1.050
50.0 1.060
60.0 1.060
70.0 1.030
80.0 0.974
90.0 0.922
100 0.886
110 0.752
120 0.710
得当幅度衰减为原来的0.707 时，通频带为80KHz 至120MHz
在 1-80MHz 带宽范围内， 20log 0.744
min
带内增益起伏 （ max ）
V
V
dB≦1dB，达到发挥部
分指标要求。
4.3、测试结果及分析
经调试，系统达到了以下指标：
1.输入输出阻抗为50Ω；
2.电压增益Av=60dB 输入电压为1mV 时 Av 在0-60dB 可调；
3.当Av=60dB 时，输出端噪声峰峰值onpp U =148mV；
4.放大器下限频率 f KHz l  80 上限频率fMHz h1 2；0
5.在1-80MHz 带内增益起伏=0.744dB；
6.最大增益在输入信号为0.45mV 时为67dB 最大正弦波有效值输出O rms U 1.2V 。
由测试可以发现系统的噪声未达到指标要求，这可能是由于单层板地回流不足，OPA695
前级同相输入接法是共模抑制比不够高造成，尽管已经考虑了电源滤波和阻抗匹配，但噪声
仍未消除，后级增加一级LC 滤波器后问题也未解决，这也是以后学习的重点。
9
5、结论、心得体会
5.1、结论
本系统采用结构简单的四级放大电路，设计时充分考虑信号之间的阻抗匹配，合理分配
各级增益，高速PCB 板加以电压滤波隔离和信号回流考虑，考虑了电路本身的电磁兼容，实
现了题目要求的宽带放大要求，使得波形失真度小，避免了软件繁琐的矫正，整体电路稳定
可靠。
5.2、心得体会
此次大学生电子设计大赛让我们初步了解并学习了宽带运算放大器的设计技术、高速PCB
设计技术、电路信号完整性和电磁兼容性的技术基础，领会了阻抗匹配在高频电路中的重要
性，锻炼和提高了工程实践能力。通过参加此次竞赛，我们都感觉到个人能力都得到了很大
提升。
6、参考文献
[1] 阳昌汉.《高频电子技术基础》. 哈尔滨工程大学出版社
[2] 惠意欣.《运算放大器:理论与设计》.清华大学出版社
[3] 童诗白.《模拟电子技术基础》.清华大学出版社
[4] Marki.montrose《电磁兼容的印制电路板设计》.机械工业出版社
[5] 松井邦彦.《OP 放大器应用技巧100 例》.科学出版社