摘 要： 该系统是基于高频宽带运放OPA695和可控增益放大器LMH6502组合而成的射频宽带放大器，可实现0～60 dB连续可调。由于OPA695是一款具有超低输入噪声电压信号的电流型运放，所以将其作为前级放大。LMH6502作为第二级放大电路可通过DA控制其增益大小，变化范围为-40～20 dB。最后一级经OPA695进行信号的总体放大，使其总增益可达到60 dB以上。调零电路使整个放大器最大程度的减小了直流偏移，并通过减小电源纹波和使用屏蔽线等方法将噪声减小到最小。同时，放大器增益可预设，并可将增益同步显示在LCD上。
关键词： 射频宽带放大器; OPA695; LMH6502; 调零电路
Design and research for gain control of radio frequency broadband amplifier
XIE Jun， SHENG Qing?hua， MAO Li?jian
（School of Electronics Information， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）
Abstract： The RF broadband amplifier is composed of high bandwidth operational amplifier OPA695 and controllable gain amplifier LMH6502. It can continuously adjust the gain from 0 dB to 60 dB. Since the OPA695 is a current operational amplifier with ultra?low voltage?input noise， it serves as a preamplifier. LMH6502， as the second?stage amplifier， can use DA to control the gain whose variation range is -40～20 dB. The final signal is amplified by the OPA695. As a result， the total gain can reach to more than 60 dB. Zeroing circuit reduces the DC offset of the entire amplifier to the maximum degree， and reduces the noise to the minimum by reducing the power supply ripple and using shielded wire and other methods. Meanwhile， the amplifier’s gain can be pre?set， and can be synchronously displayed on LCD.
Keywords： radio frequency broadband amplifier; OPA695; LMH6502; zeroing circuit
0 引 言
随着现代电子和通信技术的迅速发展，射频宽带放大器在通信领域发挥着越来越重要的作用，在移动通信，雷达通信，信息对抗等领域现已广泛的应用。它常常用于通信设备接收机的前端，将通信设备接收到的信号进行放大到合适的功率然后送到传感器进行信号的处理和分析。在射频领域，传统的放大器因频带窄、增益低等自身特点，往往无法应用。为此，这里以德州仪器公司的LMH6502和OPA695为核心，设计一种射频宽带放大器，可对有效值不小于1 mV的交流正弦信号进行放大，该射频宽带放大器的频率为0.3～100 MHz，增益可实现60 dB范围调节。该系统精度高，实用性强，具有很重要的现实意义。
1 方案论证与比较
1.1 MCU选择
1.3 可调增益放大器选择
方案一：VCA822是一款直流耦合型宽频带压控增益放大器，按V/V线性变换，最大工作频带宽度可达150 MHz。放大器增益由控制电压和外围电阻阻值共同决定，需双极性电压控制（-1～1 V），并且容易自激。
1.4 DAC控制可调增益放大器调节方式
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
造成频带内增益起伏的原因很多，其中包括运放幅频响应不平坦及供电电源不稳定等。为了防止因为放大倍数过高而使起伏变大，所以我们将电路增加级数，将每一级的放大倍数变小，这样可以满足带宽及增益要求且减小频带内增益起伏。
2.3 射频放大器稳定性
本系统为射频宽带放大器，频率很高，并且放大倍数较大，为不影响带宽，采用多级级联，但是系统稳定系易受影响，容易产生自激现象。为了提高放大器的稳定性，必须要将供电电压滤波，否则容易混入高频噪声，这里们通过屏蔽盒进一步对外界影响进行巩固。系统的稳定性主要取决于系统的相位裕量，所以必须要留有适当的相位裕量。在本系统中，将高频信号部分全部采用双面板印制，并且采用铜板大面积接地，减小接地回路，电容电阻全部采用贴片封装，减小元器件影响。
3 电路与程序设计
3.1 系统组成
系统总体框图如图1所示。
图1 系统总体框图
3.2 LMH6502增益可调模块
LMH6502的直流偏差有两部分：共模Offset和差模Offset。如图2所示，将Vin接GND，然后在Vg上输入一个方波（低电压0 V，高电压2 V），这样增益就会在最大和最小之间变化。差模Offset会随着增益放大和缩小，共模Offset不变。这样就会看到方波。调节R10可以将方波部分减小到零，调节R14可以将方波下方的直流部分减小到零。
由于Offset会随增益变化，所以这个调节方法不能将Offset完全消除，只能最大抑制。不过高频电路中常采用AC耦合，所以小的Offset不影响电路性能。另外，需要注意的是共模电压要正确，共模电压超出范围会导致Offset异常。
4 测试方案与测试结果
图2 LMH6502可调增益放大器图
4.1 测试方案与测量结果
测试方案：输出级加上50 Ω负载，将输入端短接，测量输出端噪声峰峰值，调节放大器增益，测量不同带宽，不同增益时的放大器的幅频响应。
（1） 通频带增益测量测试，如表1所示。
结论：由上表可知，频带内增益特性均达到要求。
（2） 最大电压增益及最大增益起伏测试，如表2所示。
表2 通频带增益起伏特性
（3） 输出电压噪声测量。将增益设置为60 dB，输入端短路到地，记录输出端电压峰-峰值VONPP=93 mV。
（4） 放大器输入阻抗及负载的测量。
电路的输入阻抗为50.3 Ω，电路的负载电阻为49.2 Ω。
4.2 测试结果分析
由测试结果发现本系统基本满足题目中各项要求，系统能够完成各项指标主要得益于选择器件的准确性。选择高增益高带宽运放和可调高增益可衰减器件LMH6502，并且采用多种抗干扰的措施，如使用了SMA头作为输入级，使用屏蔽盒进行信号屏蔽，严格遵循芯片厂商的布线意见。
根据测试结果可知放大器的最大增益，最小输入电压，最大输入电压，最大输出噪声，带负载能力等都达到了设计的要求。在进行个别项测试时由于空气中以及各种仪器中存在的噪声比较大，所以对前级放大电路做了屏蔽。
5 结 语
本设计是基于单片机MSP430G2553的射频宽带 放大器，选择了高增益宽带运放OPA695和可控增益放大器LMH6502，通过单片机控制可实现0～60 dB增益可调，并且满足了0.3～100 MHz频率内具有很好的平坦性。从测试结果来看，验证该系统可行性和实用性。
参考文献
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