增益可调的射频宽带放大器设计

【摘要】本文以程控增益调整放大器AD603为核心，前后级均采用电流负反馈型超高速宽带放大器THS3001构成射频宽带放大器，前级结合拨动开关调节电压增益，后级为2倍的固定增益，且有较大的带负载能力，实现了通频带为0.1MHz～20MHz的射频宽带放大器。通过精准的电位器来控制电压的方式实现电压增益的连续可调。整个系统可实现增益-10dB到40dB的连续可调。

【关键词】 AD603；增益可调；射频宽带放大

1.引言

随着无线通信的快速发展，射频宽带放大器的迅速发展无疑对信息通信起到了促进作用。宽带放大器被广泛应用于宽带通信、民用雷达通信、电子对抗以及日渐成熟的高速光通信场合。在几乎所有的射频微波系统中，都离不开对信号的放大，射频放大器在有源电路中占据了突出的位置。

本文设计的增益可调的射频宽带放大器位于接受机的前端，放大微弱信号的主要作用。该系统可以用于基本的信号处理放大设备和数码产品等领域。

2.主要技术指标

该放大器输入、输出负载电阻均为50Ω，放大器在带宽范围内有较好的线性度和一定的输出幅度，能够控制增益。

2.1 放大器BW-3dB的技术指标

放大器BW-3dB的下限频率fl≤0.1MHz，上限频率fH≥20MHz，并在1MHz-15MHz频带内增益起伏≤01dB。该要求在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[1]。

2.2 射频放大器稳定性及抗干扰措施

（1）在每个电源的输入端子接上10uF和0.1uF的电容到电源的地，保证电源的稳定性，提高放大器的性能，从而提高放大器的稳定性。从第二级AD603输出的信号经过一个滤波器滤掉了前两级的干扰信号，进一步保证了放大器的稳定性。

（2）接地是抑制干扰的主要方法，其目的是清除各电路电流流经公共地线阻抗时产生的噪声电压和避免磁场及地电位差的影响，应用时我们采用各组地线仅交于一点。

（3）电源隔离。各级供电采用电容隔离，输入级和输出级采用隔离供电。各部分电源之间通过电容隔离，就近接上10uF电解电容和0.1uF瓷片电容。

（4）所有信号耦合采用电解电容，电解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频增益下降。[2]

3.总体设计

系统方框图如图1所示。采用压控增益放大的思想，利用精准的电位器来控制加到AD603的电压，利用拨动开关调节前两级的增益档位，实现手动增益预置和控制电压增益。前后级放大均采用THS3001实现输入输出负载电阻50Ω，后级有较高带负载能力。

图1 系统框图

前级采用THS3001提高系统的增益，中间级采用AD603实现系统增益的连续可调，后级采用THS3001提高带负载能力，系统电路图如图2所示。

图2 前级放大电路图

图3 前级放大电路AD603的增益控制电路图

3.1 器件选择

AD603是具有压控增益调整功能的芯片。它是一种低噪声、在增益为-10dB到30dB调解时带宽达90MHz的带宽增益可调的集成运放，增益与控制电压成线性关系。完全能达到基本要求的上限频率fH≥20MHz。利用精准电位器调节引脚1的输入电压来控制AD603的增益[1]。

实现输出无明显失真的波形，满足大于10dB指标，必须级联其他放大电路。采用超高速、低噪声、电流反馈型运放THS3001，该运放的电压摆率为6500V/us，非常适合用作宽带放大，THS3001的单位增益为420MHz，只要选择合适的反馈电阻，可以达到基本要求的20MHz的上限频率，也可以保证放大器输出波形的稳定。在负载50欧的条件下，最大输出正弦波电压有效值Uo≥200mV，为了使输出波形无明显失真，所以后级在提高电路总体增益的同时还要保证有足够的带负载能力。采用电流反馈型运放THS3001作为后级输出，该运放的最大输出电流为100mA，足以在满足要求的输出波形下驱动50欧的负载，选择反馈电阻以保证提高放大倍数和后级输出的稳定性。

3.2 电路结构设计

（1）前级放大电路

对于宽带放大电路，我们采用电流型反馈运放，要求上限频率大于20M，采用超高速宽带电流型反馈运放THS3001，同相输入形式，接入反馈电阻为1K保证频带内的增益稳定，反向输入端可由拨动开关调节前级的增益[3]。具体电路图如图3所示。

（2）中间级电路

射频宽带放大器的电压增益要从0dB到20dB可调。单个AD603的增益范围是-10dB～ 30dB。本方案在VOUT与FDBK之间接入一个2K的电阻，最大增益大于30dB，超过了基本要求的指标。具体电路如图4所示。

图4 AD603增益控制电路图

图5 后级放大电路图

（3）后级放大电路

对于由AD603输出的信号，在后级采用THS3001提高输出的带负载能力，由于THS 3001的带宽很大，所以在后级可以对信号进一步放大，具体电路如图5所示。

4.测试及结果分析

（1）测试

分别调整系统总增益为0dB，20dB，32dB，输入信号Vpp=50mV，该输入信号满足输入电压有效值小于20mV的要求，调节输入信号的频率，0.1MHz-20MHz，在示波器上观察输出信号，并记录数据。

图6 幅频特性曲线

（2）测试结果分析

下表对各组增益在不同频率时的实际增益进行了整理，并计算了各组在1MHz到15MHz内的增益起伏。在增益为20dB时，测得的输出信号的有效值大于200mV。具体测试数据如表1所示。

根据表1数据绘制幅频特性曲线图（如图6所示）。

（注：蓝色表示第一组，红色表示第二组，绿色表示第三组）

第一组：dBmin=-0.35，dBmax=0.66，dB=0.95

第二组：dBmin= 19.65，dBmax=20.34，dB=0.99

第三组：dBmin=32.26，dBmax=30.63，dB=1.53

由以上计算数据分析可知：（1）该射频宽带放大器的下限频率小于0.1MHz，上限频率大于20MHz，最大输出正弦波有效值大于200mV，无明显失真；（2）在1MHz到15MHz的通带内增益起伏小于1dB。当系统总增益达到32dB时，依然能保证通带满足0.1MHz-20MHz；（3）控制电压与实际电压增益之间并非完全呈线性关系，这样就会产生实际的电压增益与设置的增益之间有误差。

本方案采用压控增益放大的思想，增益调节由精准电位器控制可实现增益的连续调节。

5.结论

本系统采用压控增益器件，进行合理的级联和阻抗匹配，最终实现了通频带为0.1MHz～20MHz的射频宽带放大器。通过精准的电位器来控制电压的方式实现电压增益的连续可调，可实现增益-10dB到40dB的连续可调，波形稳定，达到了较好的性能指标。本文在设计的放大器位于接受机的前端，放大微弱信号的主要作用。该系统可以用于基本的无线电技术及频段覆盖波段的通信领域。

参考文献

[1]全国大学生电子设计竞赛组委会（编）.全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选（2003）[M].北京：北京理工大学出版社，2005.

[2]曾兴雯.高频电子线路（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]杨素行.模拟电子技术基础简明教程（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2001.

作者简介：

梅杰（1991―），男，大学本科，现就读于武汉东湖学院通信工程专业，研究方向：通信与电子技术。

刘雅娴（1975―），女，武汉东湖学院副教授，研究方向：通信技术。

曾天龙（1994―），男，大学本科，现就读于武汉东湖学院通信工程专业，研究方向：通信与电子技术。

梁巧君（1991―），女，大学本科，现就读于武汉东湖学院通信工程专业，研究方向：通信与电子技术。