毕业设计(论文)-射频宽带放大电路设计.doc
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1、毕毕业业论论文文(设设计计) 射频宽带放大电路设计 学生姓名: 指导教师: 专业名称: 电子信息工程 所在学院: 信息工程学院 2015 年 6 月 I 目 录 摘要 .I ABSTRACTII 第一章 绪论.1 1.1 课题背景 1 1.2 本课题在世界的目前水平及现状 .1 1.3 本课题的主要内容及意义 2 第二章 射频宽带放大 电路设计的总体方案3 2.1 系统功能要求 .3 2.2 方案比较与论证 .4 2.3 理论分析与计算 .5 第三章 射频宽带放大电路单元电路设计8 3.1 稳压直流电源 .8 3.2 固定增益的第一级放大电路设计 .9 3.3 第二级放大电路设计 .11 3.
2、4 第三级电路设计 .12 3.5 其他元器件的功能说明 13 第四章 射频宽带放大 电路的仿真分析.15 4.1 应用软件 15 4.2 测试方案以及测试条件 15 4.3 测试结果及分析 .16 结束语 .19 致谢.20 参考文献 .21 附录 整机电路图 22 大连海洋大学本科毕业论文(设计) 摘 要 I 摘摘要要 本次设计采用宽带放大器 OPA847、压控放大器 VCA824 以及电流型运放 OPA695 等集成 芯片来作为本次设计的射频宽带放大器的核心。设计放大器的前级电路希望能够实现 10 倍的固 定增益放大,最后决定通过宽带放大器 OPA847 来完成,本次设计的中间级电路将以
3、压控放大 器 VCA824 作为核心,从而实现 0.055 倍的增益变化,本次设计的后级电路将使用电流型运放 OPA695 和继电器共同来实现 525 倍的增益变化,本次设计的末级电路,目的是进行 10 倍的衰 减,将使用电阻网络来实现,从而可以达到设计预期的 0dB60dB 的增益范围可调。由于整个 系统的输入信号幅度较小,而频率很高,所以为了提高系统整体的稳定性以及抗干扰能力,将 引入屏蔽盒进行改善。最后将整个设计进行仿真,结果达到了设计最初的所有要求和目的。 关键词关键词:射频功率放大,稳压直流电源,宽带放大器,压控放大器 ,电流型运放 大连海洋大学本科毕业论文(设计) Abstract
4、 II Abstract The design of the RF broadband amplifier composed by a voltage controlled amplifier VCA824 and Current-Op Amp OPA695.The pre-design system is composed by the broadband amplifier OPA847 to achieve the 10 times the fixed gain amplification. The middle of the design is composed by the volt
5、age controlled amplifier VCA824 to achieve the 0.055 times gain change. The subsequent circuit of the design is composed by the current- op amp OPA695 and relays to achieve the 5 25 times gain change. The final stage of the design used the resistor network to achieve the 10 times attenuation. Thus w
6、e can meet the designs expectations that achieve it adjustable in the 0dB 60dB gain range. Since the input signal with small amplitude and high frequency, the paper will set the shield case in this design after the simulation test to improve the stability and anti-jamming capability of the whole sys
7、tem. The whole system achieves all the indicators of the desired and the purpose of the design. Key words: RF Power Amplifier, Regulated DC Power Supply, Broadband Amplifier, Current-Op Amp 大连海洋大学本科毕业论文(设计) 第三章 射频 宽带放大电路单元电路设计 论 1 第一章 绪论 1.1 课题背景 随着我国通信技术迅猛的前进,我们已经进入了全新的信息科技时代。通信技术,射频技 术更是有了翻天覆地的变化。
8、从手机,无线局域网,蓝牙等技术的诞生,到航天探测,射频技 术已经走进当今社会生活的方方面面,逐步成为世界科技研发和进步中必不可少的一块。科技 发展所带来的庞大需求又使得射频技术需要进一步的研究和发展。通信设备所需求的频率也越 来越高,处理这些频率很高的电路,不仅需要特别的设备和技术,还更需要用到直流电路和低 频电路中没有用到的理论知识。而在当今世界发展中,放大信号这一项技术,可以说是存在于 每一个的通信电子设计之中,射频功率放大器也是整个设计中功率消耗最大,同时也是产生非 线性最严重的一部分。所以,对于设计的系统功能的而言,射频功率放大器将起到重要的影响。 因为射频功率放大器在射频系统起到了举
9、足轻重的作用,功率放大器的深入探索也顺势在射频 放大领域中占据了一个不可忽视的研究地位。 1.2 本课题在世界的目前水平及现状 随着时代和科技的进步,21 世纪的今天我国电子信息技术无论是在科技研发还是生产制作 方面都取得了很大的成就。虽然我们一直在前进但与世界其他科技大国相比,我们的信息技术 尤其是射频领域还是依旧有着很大空缺。射频技术实质上可以简单说成是一种通过电磁波传播 信号的无线电技术,而无线电技术的发现与应用可以回溯到 18 世纪末期,在此之后无线电技术 开始逐渐走进人们的视线。 经历了近两个世纪的研究与探索,射频技术更是不断地被完善。 (1)在射频的硬件方面, 在 1952 年诞生
10、的结型场效应管(JFET)之后,硅双极晶体管正式开始应用于射频技术。到了 80 年代 90 年代,我们更是研发出了许多新型的元器件,这些器件可以满足在工作的同时保持更 低的噪声系数和更高的增益。另外随着材料工业技术的发展,元器件的制造产业也获得了很大 的提升空间。尺寸更小更方便,精度更大,这些进步更使得射频技术在硬件方面得到了更好的 应用和发展。 (2)在射频技术方面,非线性问题一直是我们研究的重点,科技的发展,使得新 兴的 DSP 技术以及微处理控制技术诞生,也让我们可以将射频功率放大器应用到更广泛的领域 之中。功率合成技术的问世,更让我们可以获得更大的输出功率,宽带技术让我们对带宽几个,
11、几百个 GHz 的信号进行放大。 (3)在电路设计方面,射频电路的微调一直是困惑人们很久的问 题,随着半导体技术以及射频电路计算机技术的快速发展,现在我们有很多的电路仿真软件供 我们使用,这也使得我们可以在更加短的时间内仿真试验出与实际几乎一样的结果,极大的提 高了工作效率。 射频技术虽然在我国依然算的上是一个新兴的技术,但他的发展前景是不可估量的。相信 在不久的未来,射频技术可以在我国得到更好的发展,遍布到我们生活的各行各业之中。 大连海洋大学本科毕业论文(设计) 第三章 射频 宽带放大电路单元电路设计 论 2 1.3 本课题的主要内容及意义 随着我们已经进入信息科技时代,通信信息产业也进行
12、着飞速的发展,因此对于通信装置 的发射,接收要求也就越来越高。射频技术也越来越受到人们的关注,它小到可以应用于人民 生活的各方各面,大到可以应用于国防事业,国民经济等。射频技术在信息产业中得到了人们 的热切关注。深刻研究射频技术是信息产业发展中不可或缺的一部分。 射频技术在生活中较常见的应用那就是无线射频识别。 在我们设计射频功率放大器的时候, 还需要主要对输出功率,激励电平,消耗,失真,效率以及外部形状等方面进行综合考虑。在 这之中,最重要的技术要求就是输出功率以及效率,这也是研究射频放大器的关键。在器件方 面,主要根据情况考虑合适的晶体管,比如击穿电压,最大集电极电流和最大管耗等因素。 总
13、之,深入研究射频技术,不断探索研发射频放大器,是世界发展必不可少的一项内容。 大连海洋大学本科毕业论文(设计) 第二章 射频宽带放大电路设计的总体方案 3 第二章 射频宽带放大电路设计的总体方案 经过查阅文献,我们发现射频理论与一般的电路之间,有着很多不一样的特性,可以简单 的概括为以下几个部分: 1、使用大量的调谐网络:大量的调谐网络可以使频率很轻易的调谐到适合的工作频率,与 此同时调谐网络具备的晶体管特性可以更好的符合电路的输入阻抗以及输出阻抗。总而言之, 调谐网络的设计,是设计射频电路的性能的一个十分重要的步骤。 2、需要考虑阻抗匹配问题:在整个设计的射频电路中,处理各种信号的各种不同部
14、件,它 们之间位置会有一定的范围。这个相距的范围与被传输信号的波长范围一般相差不多。所以预 先考虑阻抗匹配,是把它们在这个范围内更好的安装在一起的必要条件。 3、每一种元器件在它们各种频段之间的应用也不一样:我们都知道长波、中波及短波、超 短波还有微波,它们构成了射频的频带宽。中波、短波和米波,在这些频段所使用的元件和线 路的设计结构以及它们的工作原理,是大致相同的。但这些频段与微波波段相比,却有着本质 上的不同。中波、短波以及米波,它们一般由集中参数的元件所构成,比如我们在日常生活中 常用到的电阻、电容以及电感线圈等元件;微波一般使用类似波导和同轴线这样的分布参数的 元件。在器件使用上,晶体
15、管、集成电路以及电子管等这些器件一般被中波、短波以及米波所 使用。而微波即可以使用这些器件,也需要与其性能所匹配的,例如微波二极管、速调管、行 波管、磁控管这一类特殊的器件。 射频功率放大器主要是将信号经过一系列的放大,再传送到天线上再辐射以及传播。这一 过程一般是需要经过调制振荡电路使之变为很微小的射频信号功率,然后再经过进一步多级的 放大变成很大的射频功率。射频功率放大器就是能够使信号获得足够大的输出功率的一种电子 元件。 2.1 系统功能要求 本次设计的射频宽带放大器的预期要求如下:(1)电路所采用的结构为单端输入以及单端 输出的方式,而且输入阻抗值要1K。同时,放大器的负载电阻为 60
16、0。 (2)3dB 的通频带 10KHz6MHz,在 20KHz5MHz 的频带内增益起伏1dB。 (3)整个放大器所设计的最大增益需 要60dB,放大器的增益要在 10dB60dB 的调节范围之间。 (4)最大输出电压的有效值在整个 射频宽带放大器系统中要3V1。 本次设计为了实现 60dB 的增益可调,整体的电路设计将使用多级放大的形式。电路第一部 分的固定增益设计将以 OPA847 为核心进行设计,OPA847 是一种宽带高压摆率运放。通过它, 可以最终达到 10 倍的增益。电路的第二级设计是为了实现 0.055 倍的增益可调。经过反复查阅 文献,压控放大器 VCA824 具有以下的特性
17、:带宽大小为 350MHz,增益的范围在 040dB 范围 可调,这些参数与设计预期所设计的全部相符。为了达到设计最终 060dB 的范围可调,整个电 路设计的第三级将采用继电器来进行转换。 本次设计以经济实用的技术和高性能低噪声的器件组合为出发点,以达到预期要求,设计 大连海洋大学本科毕业论文(设计) 第二章 射频宽带放大电路设计的总体方案 4 更加实用的宽带放大器为最终的核心,这样的设计即节约了经费也对社会的科技发展有很大的 益处。同时本次设计也有很大的应用范围,具有一定的广泛性,射频技术早已在人们生活中的 各行各业中起到了举足轻重的地位和影响,本次设计也将具有很高的实际应用功能。 2.2
18、 方案比较与论证 2.2.1 60dB 的增益设计 为了达到设计目的,经过反复的文献查阅以及方法对比,最终形成两套设计方案来实现最 终的设计目的。 设计方案一:把宽带集成运放应用于增益设计。总所周知,高的开环增益以及输入阻抗, 和低输出阻抗,这些一直是集成运放所具有的特殊的性能,所以在放大器电路中假使应用集成 运放将会是整个电路拥有更优良的线性。所以我们所选择的宽带集成运放只有具有很高的带宽 值和很大的压摆率,才可以更有效地实现 60dB 的增益放大。但是,因为集成运放很高的开环增 益还有反馈机制所带来的影响,会使得整个设计在频率响应方面会稍显逊色。 设计方案二:应用三极管所具备的功能来实现设
19、计。在如今三极管的种类繁多,应用领域 广泛,对于射频宽带放大器的设计可以将开环增益低的三极管引入其中,这种三极管可以进行 级内的反馈,从而摆脱了大环反馈的影响,使得整个设计更易处理而且由三极管所构成的放大 电路在频率响应方面,会显得更有优势。 在设计方案一中虽然采用集成运放的方式会使得整个电路的频率响应降低,但在稳定性方 面,集成运放却显示出了很大的优势,也因此增益更易于人为进行控制。而方案二采用的开环 增益低的三极管进行放大,虽然在频率响应方面很突出,但应用三极管会产生元器件的分立, 整个电路由于器件分立也会使得高频小信号进行传输时会产生严重的噪声,也因此使得整体系 统变得不稳定。所以综合多
20、方面的考虑,本次设计将使用设计方案一的思路来实现的放60dB 大增益的设计。 2.2.2 放大增益可调的设计 为了达到本部分的设计目的,经过上网查询,文献查阅以及方法对比,形成两套设计方案 来实现本部分的设计目的。 设计方案一:采用固定增益以及电阻网络衰减的方式。为了实现 060dB 范围内的增益可调。 首先为了达到固定增益的放大可以通过第一部分的放大电路来完成,后级的电路可以使用电阻 网络来进行衰减,比如可以使用电位器,这一类元器件。 设计方案二:设计将使用压控放大器的方法。压控放大器(VCA) 可由外部电压进行增益的 控制,从而达到放大增益在一定范围内可调。 方案一采用固定增益,电阻网络衰
21、减的方式,这个方案所设计的电路虽然整体的结构单一, 相对而言很容易实现。但是,由于整个设计的输入信号的频率一般在 1M100MHz 的范围内2。 而且,在高频信号的影响下,电阻的性能容易产生变化,这会使得电阻会产生一些电感以及电 容的特性,这些改变会对信号将产生一定的影响。而在设计方案二中我们通过压控放大器 大连海洋大学本科毕业论文(设计) 第二章 射频宽带放大电路设计的总体方案 5 (VCA)来达到增益可调的目的,但因为运放带宽和增益的限制,使得调节范围会受到局限。 通过仔细的考虑及讨论,本部分的设计决定使用方案一和方案二共同融合的形式来实现,固定 增益以及电阻网络衰减,这一部分在整体设计的
22、前级电路中实现,后级由压控放大器(VCA)控 制,从而达到设计的预期要求,实现放大增益的可调。 2.2.3 系统框图 本次设计可以简单的分为以下几个模块组成:首先由宽带放大器 OPA847 进行单级的放大, 从而实现 10 倍的放大倍数。然后再通过压控放大器 VCA824 来组建整个射频宽带放大器的中间 级的设计,从而可以达到预期 0.055 倍的增益控制。整个设计的后级电路则是采用电流型运放 OPA695 来达到 5 倍的固定增益。最后,末级电路则采用继电器切换进行 5 倍增益放大,以及 10 倍电阻网络衰减,从而完成达到最终的实验目的。详细的系统框图如图 2.1 所示。 图 2.1 射频宽
23、带放大器的整体系统框图 2.2.3 3 理论分析与计算理论分析与计算 2.3.1 宽带放大器指标 放大器是组成各种电子系统,电子电路设计的一个十分重要的单元,放大器的应用在现代 生活中是十分广泛的,而且随着时代的发展对新的技术以及器件的发展制作都有着十分严苛的 要求。随着电子信息业的技术发展,宽带、高性能、高增益、高输出电压、高效率、更宽的动 态波动范围、低的噪声能耗等等,这些要求都已经成为了如今的设计宽带放大器的一个导向趋 势。 通过之前的方案的选择与论证,本次射频宽带放大器的设计将采用以集成运放为核心来实 现。设计中还需要考虑的就是增益带宽积,增益带宽积顾名思义就是有源器件或者电路的增益
24、与相规定带宽的乘积,增益带宽积液是衡量放大器性能好坏的一个重要的指标。 本次设计的预期指标要求的电压增益值要错误错误! !未找到引用源。未找到引用源。 ,同时还要满足 100MHz 的 输入信号频率,那么为了达到这些指标要求如果使用单级放大的方式,那么要求的运放增益带 继电器 继电器 10 倍固定增 益 (OPA847) 0.055 倍增益 (VCA824) 10 倍衰减 (电阻网络) 5 倍固定增益 (OPA695) 5 倍固定增益 (OPA695) 输出 输入 大连海洋大学本科毕业论文(设计) 第二章 射频宽带放大电路设计的总体方案 6 宽积可计算为: 错误错误! !未找到引用源。未找到引
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