2013年全国大学生电子设计竞赛
【本科组】
2013年9月7日
荧光法溶解氧摘 要
本作品由前置放大电路、吸收式电调衰减器、末级放大电路和增益控制模块构成。在放大电路中，采用AG604-89宽带放大器，实现了信号的固定增益放大。吸收式电调衰减器采用四元PIN二极管型衰减器，通过电位器或单片机外加控制电压来调节衰减实现增益的手动控制与数字程控功能。采用合理的级联和阻抗匹配加入末级功率放大，全面提高了增益、带宽和带负载能力。综合应用电容去耦、滤波、使用屏蔽线传输信号等抗干扰措施以减少放大器的噪声并抑制高频自激，提高放大器的稳定性。经测试验证系统实现了全部基本功能和部分扩展功能。 关键词：射频，放大器，电调衰减器，增益控制
Abstract
This design is composed of preamplifier circuit, absorptive voltage variable attenuator, post amplifier and AGC module. AG604-89 broadband amplifiers were used to implement the fixed gain amplification of signals in this amplifying circuit. Absorptive voltage variable attenuator which usedπType Electronic Attenuator adjusted the gain by the potentiometer and microcontroller. Cascade and impedance matching improved the overall gain, bandwidth, and loading capability of system. The anti-interference measures such as decoupling capacitance, filtering and the shielded wire were used to reduce the noise, suppress the amplifier’s high frequency self-excitation and improve its stability. It has been verified that the system implements all the basic function and some extensions function.
KEYWORDS: RF, amplifier, absorptive voltage variable attenuator, gain controlling
射频宽带放大器（D题）
【本科组】
一、 方案设计与论证
1. 衰减模块选择
方案一：数控衰减器
多数数控衰减器能够在大动态范围内完成精度衰减。也可使用简单控制系统，与外围电路结合，实现数控衰减。但是，由于使用了集成芯片，在一定程度上增加了系统的损耗，且成本高，器件购买困难。
方案二：型电阻衰减网络
型电阻衰减网络利用电阻分压原理，由若干电阻搭建而成。该衰减网络无需控制、频带宽、输入输出阻抗稳定，工作频率宽、动态范围大，且价格低廉。其增益误差由电阻的精度决定。
综合考虑功耗、频带与成本等因素，我们选择型电阻衰减网络。
2. 放大器模块的论证与选择
方案一：采用场效应管或三极管进行放大器设计。采用分立元件设计电路其优点造价较低，但是其电路较复杂、规模较大、稳定性较差、容易产生自激振荡、增益平坦度较难控制。
方案二：采用高频运放芯片进行设计。集成运放芯片使用简单、精度高、稳定性好能够克服分立元件的不足，且其开发的周期较短，故在实际的设计中我们更倾向与该方案。
3. 总体方案描述
图1.系统总体框图
根据题目要求其增益在60dB且增益平坦度要求较高，一级放大很难实现，因此需两级放大。两级放大容易造成增益平坦度下降，故在两级之间增加一衰减网络实现阻抗匹配和增益控制。最后将次级输出信号接入50负载电阻
二．理论分析与计算
1.放大器理论分析
1）增益带宽积分析：
带宽增益积(GBP)是用来简单衡量放大器性能的一个参数，按照放大器的定义，这个乘积是一定的。题目中要求放大器最大电压增益,即。
放大器的通频带0.3～20MHz,所以本放大器的带宽增益积为
假设放大电路的高频响应用下面的极点函数表示
式中为放大器的中频增益，为角频率，为上限角频率。当引入负反馈并假设反馈系数是与频率无关的实数B 时，则有
将式上式代入到下式得
由此可知，反馈中频增益为，上限角频率变为
本系统设计的宽带放大器，放大器下限角频率为0.3M赫兹，相对上限频率20M赫兹非常小，所以无馈时放大器的通频带，引入负反馈以后，放大器的通频带变为
式上表明，引入负反馈后放大器通频带扩展到无反馈时的倍。而且有
2） 通频带内增益起伏控制：
设计放大器的主要难点是增益低和宽带增益平坦度差，无法满足宽频带高稳定增益的需求。HBT 相对于传统BJT发射效率高，可获得更大的电流增益，另外从电路结构的角度，在一定偏置条件下，达林顿对复合管可实现接近单管两倍的电流增益，但是输入阻抗过高，需要采用阻抗匹配补偿技术。引入负反馈，可以适当地补偿放大电路高频频率响应，提高增益平坦度。除了电阻负反馈外，引入旁路电抗元件补偿技术也可以有效地缓解晶体管高频增益的下降。旁路电抗元件补偿技术包括了旁路电感补偿和旁路电容补偿。
我们对其做了旁路电感补偿和旁路电容补偿。
3）放大器稳定性分析
放大器稳定性分析中需采取措施减少电路中的串扰，并避免自激。设计中我们采取的措施如下：
（1）放大器板上所有运放电源线及数字信号线均双臂电桥加磁珠和电容滤波。磁珠可滤除电流上的高频毛刺，电容滤除较低频率的干扰，它们配合在一起可较好地滤除电路上的串扰。安装时尽量靠近IC电源和地。
（2）所有信号耦合用点解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频增益下降。
（3）在两个焊接板之间传递模拟信号时用同轴电缆，信号输入输出使用SMA-BNC接头以使传输阻抗匹配，并可减少空间电磁波对本电路的干扰，同时避免放大器自激。
（4）数字电路部分和模拟电路部分的电源严格分开，同时数字地和模拟地
电源地一点相连。
4）输入输出电阻
输入、输出阻抗匹配为50欧姆。
方案一、采用低噪声增益可程控集成运算放大器AD603。采用两级AD603级联以提高增益控制范围、中间级采用分立元件制作了高输出功率放大器、输出级设计低通滤波器实现带宽的可预置，单片机可以对放大器增益和带宽进行控制，在自动化要求较高的系统中具有很好的实用性。其能够满足设计的基本指标，由于其带宽和增益平坦度的限制很难作出发挥部分。
方案二、采用集成芯片AG604级联组成放大电路。AG604采用InGaP/GaAs HBT构成达林顿对复合管(DP)结构以改善通带内增益的平坦度，且其增益带宽可以达到900MHz、增益能够达到29dB、电路连接方便，故我们采取两级级联的方式完成设计要求。
2.衰减网络分析
1）基本型衰减器
型衰减器结构如图 1所示，其计算公式为： ，其中K为输入输出电压比，Z本地导航为输入/输出阻抗。适当调整旁路电阻R1 简报器和串联电阻R3的大小，可获得衰减A= 20log(K)，同时实现输入/输出阻抗与系统的特性阻抗相匹配。
图2基本型衰减器
2）实现可变衰减方法：
可以用两个二极管代替图2中的R3,如图3所示。这样做有三点好处：首先，由于网络的最大隔离度由两个串联二极管的寄生电容决定，用两个二极管代替一个二极管可以提高衰减量或者使工作频率上限加倍。第二，因为孪生二极管的串联电阻具有 180度相位差，可以抵消偶次失真。第三，可得到对称的衰减网络与较简单的偏置电路。电路中V+固定，用Vc的变化来控制电路的衰减量。使用两个串联二极管的唯一缺点就是会增加大约 0.5dB的插入损耗。其中，R作为D1，D2的偏压回路,所以,为了减少插入损耗，就必须使 R0，R1 的值足够大，但这样来就要求一控制电压比较高。如果频带要求不是特别宽，可以考虑在 R1 橡胶发泡鞋底
、R2 和主传输线之间加一电感来减小插入损耗，R2 、R3 、R4 作为二极管的匹配电阻，适当选择其参数，可在大动态的衰减范围内为串联和旁路二极管提供正确的偏置与分流，使整个网络获得较好的阻抗匹配
图3. 二极管型衰减器
三、电路及程序设计
1. 放大器部分
AG604-89是通用缓冲放大器,在900MHz时AG604-89通常提供29dB的增益,在应用时只需要接入隔直电容，偏置电阻，和一个电感RF扼流操作，使用方便，电路如图4所示。
图4.放大器电路图
在该电路中，首先引入阻抗匹配电阻，而在题目中要求输入阻抗为50Ω，采用通用的SMA
射频连接母头，故在本此设计系统可以省去该匹配电阻，在输出端接耦合电容，可以有效滤去直流
带宽增益积（GBP)是用来简单衡量放大器的性能的一个参数，这个参数表示增益
和宽带的乘积。按照放大器的定义，这个乘积是一定的。
2.宽带电调衰减器电路原理图
图5 宽带电调衰减器电路子系统框图
3. 程序设计部分
通过改变控制端电压完成对衰减网络电压增益的调节，具体描述为：通过键盘给单片机输入电压增益分贝数后，处理器一方面会通过LCD1602显示当前放大倍数，另一方面控制DA来完成对放大倍数的调节，具体流程图如。
四、测试方案与测试结果
1.测试仪器
SG1014模拟信号发生器0-40MHz
SP3012型数字合成扫描仪扫描频率20-120MHz
DS5202CAE400MHz示波器
DA22B超高频毫伏表
2.测试方案
1）放大器幅频特性测试
图6 测试方案框图
测试结果：图7是1MHz-15MHZ的扫频幅频特性曲线，输出特性非常平坦输出功率近10dBm,输入功率为-23dBm，其增益为33dB优于题目要求。
图7实际测试过程
图8 1MHz-15MH测试结果
测试结果：图9是1MHz-80MHZ的扫频幅频特性曲线，输出特性非常平坦输出功率近7dBm，输入功率为-23dBm，其增益为30dB优于题目要求。
图9 1MHz-80MH测试结果
3.有效值和失真测试
采用点频法测试放大器带50 负载时宽带放大器对输入信号的作用，其流程如图所示。
图9有效值和失真测试框图
图10测试结果
图11放大的测试结果
测试结果(输入0.02V，频率单位MHz、电压单位V)：
频率 | 0.3 | 1 | 2 | 3 | 多媒体互动系统4 | 5 | 6 | 7 |
电压 | 1.42 | 1.9 | 1.93 | 1.96 | 1.95 | 1.99 | 1.98 | 1.96 |
频率 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
电压 | 2.01 | 2.03 | 2.02 | 2.04 | 2.05 | 2.08 | 2.01 | 2.08 |
| | | | | | | | |
通过结果可以获知放大倍数可以达到100倍以上，电压的有效值近似为1.45V输出信号无明显失真。
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