可调增益宽带放大器设计

摘 要 本设计以宽带放大电路、可调衰减电路为核心实现微小信号的宽带放大功能。系统主要由：宽带放大模块、功率驱动输出模块、衰减器模块和键盘显示模块四大部分组成。用K60DN512ZVLQ10作为系统主控MCU，实现键盘键值的接收，衰减器系数的发送和液晶显示的发送等功能；系统具有Av在0-60dB范围内可调，工作频带0.3MHz-100MHz，频带内增益起伏≤1dB等特点，有较高的实用性。

【关键词】可调增益 宽带放大 衰减器

1 引言

随着微电子技术的发展，小信号的处理在通信和信息处理领域被广泛运用，宽带运算放大器广泛应用于A/D转换器、D/A转换器，有源滤波仪、广播、电视、通信、雷达等电路中，这些电路不仅要求放大器有宽带宽，还要求具有较高的放大增益；因此宽带放大器应用十分广泛，有非常好的市场前景。

2 系统总体设计

可调增益宽带放大器系统主要由：宽带放大模块、可调衰减器模块、显示模块、键盘模块四个部分构成。

2.1 宽带放大模块

由四个宽带放大器OPA820级联，每级放大6倍，在满足了放大倍数的同时保证了带宽。

2.2 可调衰减器模块

选用HMC624LP4芯片采取三级衰减器完成可控衰减，每级衰减-0.5dB～-31.5dB可调，调节精度-0.5dB。先将所有衰减器均衰减到极限，再通过自动程控增益模块，对衰减器的衰减参数进行释放，得到需要的放大倍数。以上两部分采用间插级联方式实现，如图1所示。

2.3 显示模块

设计选用MS128624r系列的LCD，实时显示系统增益，并可显示用户键盘定义的放大倍数，方便用户使用与调整。

2.4 键盘模块

选用HD7279A芯片进行键值读取，用SPI协议写入单片机，单片机算出衰减器所需衰减参数，用SPI协议发送给衰减器，控制整体放大倍数，得到正确的输出信号，实现增益可调。

3 系统硬件设计

系统硬件总体框图如图2所示。

设计选用宽带放大器OPA820对信号进行放大。OPA820是单位增益稳定低噪声电压反馈运算放大器，具有带宽高、单位增益稳定和输入噪声电压非常低等特点，OPA820适用低于6毫安供应电流和高输出电流，在单位增益时，能提供800MHz的带宽。OPA820为低功耗器件，具有卓越的DC精度。OPA820特性 曲线如图3所示；设计中采用四级放大，每级放大6倍，在保证电压放大幅度的同时，保持了高带宽的性能。通过调节R3与R1的比值来调节放大倍数G，G=R3/R1。

衰减器设计选用HMC624LP4芯片。通过衰减器改变整体放大倍数从而实现放大倍数可调。如图4所示。

HMC624LP4是一个6位宽带集成电路数字控制衰减器。它适用于各种的RF和IF应用。双模式控制接口CMOS/TTL兼容，并接受三线串行输入或6位并行输入。采用三线串行输入大大简化电路设计，占用单片机资源少（最少3线），完全免调试，电路简单。HMC624LP4管脚如图5所示。衰减器HMC624LP能从-0.5dB衰减到-31.5dB，6位数据操控衰减参数，0x00对应衰减31.5dB，0x3F对应衰减0.5dB。6位数据每加1衰减系数加-0.5dB，其对应真值表如图6所示。

本设计采用三级衰减器级联的方式，每个衰减器最大能够衰减-31.5dB，三级能够满足衰减60dB，并且保持其高带宽的性能。衰减器模块电路图如图7所示。

键盘模块设计选用HD7279A芯片。用户通过键盘输入放大倍数，单片机读取键值，将键值计算转换成衰减系数，从而实现增益可调。

HD7279A是一款具有简单SPI串行接口的器件，可直接驱动8位共阴式数码管（或64个独立的LED），管理多达64键键盘，单片即可完成LED显示和键盘接口的全部功能，电路更简单。HD7279A与微处理器仅需4条接口线，其中CS为片选信号（低电平有效）。DATA为串行数据端，当向HD7279A发送数据时，DATA为输入端；当HD7279A输出键盘代码时，DATA为输出端。CLK为数据串行传送的同步时钟输入端，时钟的上升沿表示数据有效。KEY为按键信号输出端，该端在无键按下时为高电平；而在有键按下时变为低电平，并一直保持到按键释放为止。HD7279与MCU的接口电路如图8所示。

单片机模块选用K60DN512ZVLQ10作为主控制器来操作键盘键值的接收，衰减器系数的发送和液晶显示的发送。用主控制板上J10的输入输出口作为数据传送通道。

功率驱动输出模块选用TI的宽带功率放大器THS3001驱动，THS3001是一个电流反馈放大器，它有420MHz的-3dB带宽和良好的带内平稳度。

4 小结

可调增益宽带放大器设计的特点在于将放大器和衰减器以间插级联方式连接，通过一级放大接一级衰减的原则，系统经过四级放大和三级衰减。这样的配置可以逐渐减弱系统的噪声，调试过程中通过不断的参数修改，实现系统分配格局和参数的最佳配置，使系统的稳定性达到预期的效果。

系统测试仪器有示波器Agilest DSO7054A、直流稳压电源5V和9V、信号发生器Agilest N9310A、频谱仪Agilest N9320B等，采用系统扫频的方式，对系统进行扫频测试，扫描波形如图9所示。

经过测试，此系统在低频段误差小于2dB，调整放大与衰减器的配置，实现设定放大倍数，波动较小；在高频段，系统性能表现优良，在突破上限100MHz之后依然可以正常工作，实测上限截止频率提高至200MHz。

参考文献

[1]何晓丰，马成炎.数字控制增益可配置的射频宽带放大器[J].浙江大学学报，2012（11）.

[2]蒋礼根.设计并制作射频宽带放大器探索[J].产业与科技论坛，2013（16）.

[3]李志军，沈非凡，韩春晨.宽带放大电路设计[J].电子技术，2013（11）.

[4]周韬.新型数字控制射频衰减器的设计[J].数字技术与应用，2012（01）.

作者简介

乔鼎恒（1993-）男，北京市人。现就读于北方工业大学电子信息工程学院电子信息系。

作者单位

北方工业大学 北京市 100043