分析2015電子競賽D題-增益可控射頻放大器

　　前些日子教師節的時(shí)候給我在武漢的老師打了個(gè)電話(huà)，閑聊之余談到他今年帶的電子競賽又拿了國一，他都六十多的人了顯得很淡定，我想估計只有他那獲獎的學(xué)生才是最高興的吧。這老師這么多年來(lái)對我們挺好，平時(shí)沒(méi)事就去他家聊聊或者做做板子調調電路，自己有事可以去做自己的事，也是我那幾年難得遇到的老師吧。

　　聊完之后我找了下今年的國賽題，其中一眼就看到射頻放大器這個(gè)題目，想都不用想就猜我老師今年帶的組是這個(gè)題，因為就算是我自己也會(huì )選擇這個(gè)題目，而且當年也做過(guò)程控放大器，雖然指標的頻率沒(méi)有這么高，但是這幾年憑著(zhù)自己對芯片指標的回憶覺(jué)得這個(gè)題只要方案選的好幾乎一天就能做出來(lái)，而其他有好幾個(gè)題目例如干擾儀和頻譜儀估計還得費一點(diǎn)心思。

　　對于這個(gè)可控增益的射頻放大器，自己感到特別意外，因為對于自己而言如果遇到這種題，就像撿到的一樣，因為后面很長(cháng)一段時(shí)間自己研究過(guò)可控增益器件，也做過(guò)高精度的可控源。當然對于射頻器件，還有很大的空間需要去挖掘。先分析一下11年自己做過(guò)的程控放大。

　　指標要求為10M的可控范圍40DB的程控放大。

　　那個(gè)時(shí)候整個(gè)實(shí)驗室的人都希望自己手里有很多vca810,所以毫無(wú)疑問(wèn)當時(shí)也對810最為熟悉，所以選的這個(gè)可控器件做的程控放大。

　　系統框架如下所示，前級緩沖放大提高輸入阻抗，減少信號噪聲的干擾。VCA810程控放大器作為信號輸入的核心放大，其增益由單片機控制D/A芯片dac7611輸出再經(jīng)過(guò)反向放大電壓來(lái)調節，電壓步進(jìn)為1mV，范圍在-40～40 dB。再通過(guò)軟件設計的多階濾波器實(shí)現低通濾波。后面輸出部分采用高輸出電流芯片并聯(lián)以增大輸出功率的方式進(jìn)行輸出。程控部分采用單片機外加鍵盤(pán)控制。LCD12864實(shí)時(shí)更新電壓幅值。

　　控制增益部分選的TI的810，理論上具備80DB控制范圍，但是實(shí)際上一片能夠做到50DB就非常不錯了，當然2片理論上做到100只能說(shuō)你是做夢(mèng)!且控制電壓與增益dB數成線(xiàn)性關(guān)系，滿(mǎn)足設計要求。這里控制vca810采用自帶基準電壓源4.096V的12位高精度DAC7611。再經(jīng)精密放大器反向后控制VCA810。用按鍵和液晶方式智能控制程控放大。下面是低通濾波用的軟件仿真的結果。

　　主要信號的原理圖如下。也可下載附件。

　　程序可以通過(guò)不斷改變DA輸出從而掃描輸出。之后經(jīng)過(guò)仔細測量帶寬以及配合程序的調試，基本指標都能達標，上一張實(shí)物圖。

　　這是自己當時(shí)做的程控放大的訓練題，做成這樣了，而今年看到的國賽題一瞄就瞄到了這題不是沒(méi)有道理的，不僅僅是因為他熟悉，而是后面接觸過(guò)很多HITTITE公司的芯片，特別是數字芯片很好的替代了模擬的程控放大器，這就使得一個(gè)程控放大更加簡(jiǎn)單化。

　　然后再來(lái)看下15年程控放大的要求：

　　一、任務(wù)

　　設計并制作一個(gè)增益可控射頻放大器。

　　二、要求

　　1.基本要求

　　(1)放大器的電壓增益 AV≥40dB，輸入電壓有效值 Vi≤20mV， 其輸入阻抗、輸出阻抗均為 50?，負載電阻 50?，且輸出電壓有效值 Vo≥2V，波形無(wú)明顯失真;

　　(2)在 75MHz～108MHz 頻率范圍內增益波動(dòng)不大于 2dB;

　　(3) -3dB 的通頻帶不窄于 60MHz～130MHz， 即 fL≤60MHz、 fH≥130MHz;

　　(4)實(shí)現 AV 增益步進(jìn)控制， 增益控制范圍為 12dB～40dB， 增益控制步長(cháng)為4dB，增益絕對誤差不大于 2dB，并能顯示設定的增益值。

　　2.發(fā)揮部分

　　(1)放大器的電壓增益 AV≥52dB， 增益控制擴展至 52dB， 增益控制步長(cháng)不變，輸入電壓有效值 Vi≤5mV，其輸入阻抗、輸出阻抗均為 50?，負載電阻 50?，且輸出電壓有效值Vo≥2V，波形無(wú)明顯失真;

　　(2)在 50MHz～160MHz 頻率范圍內增益波動(dòng)不大于 2dB;

　　(3)-3dB 的通頻帶不窄于 40MHz～200MHz，即 fL≤40MHz 和 fH≥200MHz;

　　(4)電壓增益 AV≥52dB，當輸入信號頻率 f≤20MHz 或輸入信號頻率 f≥270MHz 時(shí)，實(shí)測電壓增益 AV 均不大于 20dB;

　　(5)其他。

　　程控分析：

　　發(fā)揮部分增益到52DB，一般用一片模擬的程控放大光靠調試很難滿(mǎn)足要求，而發(fā)揮部分的頻率50-160M，這個(gè)頻率TI的程控放大器無(wú)法滿(mǎn)足要求，帶內波動(dòng)低于2DB，這個(gè)也要靠調試的功底，但是當我看到增益的步長(cháng)為4DB時(shí)候我就笑了，因為對于一個(gè)52DB增益的系統而言，步進(jìn)為4DB說(shuō)明他的精度要求不高，這讓我很快的想到了之前做過(guò)的高精度頻率源，頻率高達1G，在這個(gè)很短的頻率內帶內的波動(dòng)幾乎可以忽略，而且步進(jìn)剛好是1DB，所以的東西都滿(mǎn)足要求，這就是數字衰減器實(shí)現的程控放大，數字衰減器實(shí)現的方案在程序方面幾乎就是可以直接給高給低就行了，不需要額外的給模擬電壓，給程序方面也帶來(lái)了很有優(yōu)勢，之前自己用過(guò)的HMC307和HMC470以及該系列的數字衰減器都是滿(mǎn)足要求的，這就是最主要的核心芯片構成的方案!

　　看一下HMC470的頻率以及帶內損耗還有結構以及如何控制的。

　　控制很簡(jiǎn)單，5個(gè)IO口就行，分別選擇衰減多少DB，最小分辨率為1DB.完全滿(mǎn)足題目要求的，并且控制簡(jiǎn)單。這也是很關(guān)鍵的一部分。

　　至于帶內波動(dòng)，從圖可以看出在程控的頻率范圍(50-160M)幾乎可以忽略。

　　經(jīng)典電路控制圖也很簡(jiǎn)潔。

　　但是這里，考慮到封裝問(wèn)題，之前做的一個(gè)項目里面涉及到程控部分并不是用的470，而是HMC307，原理基本一樣，只是封裝更好使用，但是控制電平是負的，所以需要額外加反相器，另外一片HMC307只能實(shí)現32DB，并不能夠達到52DB,所以需要2片級聯(lián)實(shí)現，而當時(shí)的項目要求剛好也是超出了52DB，用的2片級聯(lián)輸出。原理如下圖所示：

　　該類(lèi)衰減器之前接觸過(guò)不少，經(jīng)過(guò)測量后大部分發(fā)揮指標是可以直接達標的，我的印象中，HITTITE的衰減器在公開(kāi)的芯片廠(chǎng)商里面還算不錯。

　　總結：有的時(shí)候選擇比努力重要，方案比調試重要。人生的道理也有很多，我們都還年輕，每個(gè)人都需要成長(cháng)，新的環(huán)境里面面臨著(zhù)新的挑戰當然還有新的機遇。在深入技術(shù)的同時(shí)別忘了要對其他技術(shù)領(lǐng)域的方案也要有所了解，要不就扎進(jìn)死胡同里面了。太年輕就得逼自己一把。

　　如果你有類(lèi)似對程控放大或者針對該題還有更好的方案，歡迎隨時(shí)溝通交流。