分析2015電子競(jìng)賽D題-增益可控射頻放大器

　　前些日子教師節(jié)的時(shí)候給我在武漢的老師打了個(gè)電話，閑聊之余談到他今年帶的電子競(jìng)賽又拿了國(guó)一，他都六十多的人了顯得很淡定，我想估計(jì)只有他那獲獎(jiǎng)的學(xué)生才是最高興的吧。這老師這么多年來(lái)對(duì)我們挺好，平時(shí)沒(méi)事就去他家聊聊或者做做板子調(diào)調(diào)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(guó)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?yàn)榫退闶俏易约阂矔?huì)選擇這個(gè)題目，而且當(dāng)年也做過(guò)程控放大器，雖然指標(biāo)的頻率沒(méi)有這么高，但是這幾年憑著自己對(duì)芯片指標(biāo)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(jì)還得費(fèi)一點(diǎn)心思。

　　對(duì)于這個(gè)可控增益的射頻放大器，自己感到特別意外，因?yàn)閷?duì)于自己而言如果遇到這種題，就像撿到的一樣，因?yàn)楹竺婧荛L(zhǎng)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(dāng)然對(duì)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(biāo)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(yàn)室的人都希望自己手里有很多vca810,所以毫無(wú)疑問(wèn)當(dāng)時(shí)也對(duì)810最為熟悉，所以選的這個(gè)可控器件做的程控放大。

　　系統(tǒng)框架如下所示，前級(jí)緩沖放大提高輸入阻抗，減少信號(hào)噪聲的干擾。VCA810程控放大器作為信號(hào)輸入的核心放大，其增益由單片機(jī)控制D/A芯片dac7611輸出再經(jīng)過(guò)反向放大電壓來(lái)調(diào)節(jié)，電壓步進(jìn)為1mV，范圍在-40～40 dB。再通過(guò)軟件設(shè)計(jì)的多階濾波器實(shí)現(xiàn)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(jī)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(cuò)了，當(dāng)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(shù)成線性關(guān)系，滿足設(shè)計(jì)要求。這里控制vca810采用自帶基準(zhǔn)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(jié)果。

　　主要信號(hào)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(xì)測(cè)量帶寬以及配合程序的調(diào)試，基本指標(biāo)都能達(dá)標(biāo)，上一張實(shí)物圖。

　　這是自己當(dāng)時(shí)做的程控放大的訓(xùn)練題，做成這樣了，而今年看到的國(guó)賽題一瞄就瞄到了這題不是沒(méi)有道理的，不僅僅是因?yàn)樗煜?，而是后面接觸過(guò)很多HITTITE公司的芯片，特別是數(shù)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(shè)計(jì)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(fù)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(nèi)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(xiàn) AV 增益步進(jìn)控制， 增益控制范圍為 12dB～40dB， 增益控制步長(zhǎng)為4dB，增益絕對(duì)誤差不大于 2dB，并能顯示設(shè)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(kuò)展至 52dB， 增益控制步長(zhǎng)不變，輸入電壓有效值 Vi≤5mV，其輸入阻抗、輸出阻抗均為 50?，負(fù)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(nèi)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(dāng)輸入信號(hào)頻率 f≤20MHz 或輸入信號(hào)頻率 f≥270MHz 時(shí)，實(shí)測(cè)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(diào)試很難滿足要求，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)法滿足要求，帶內(nèi)波動(dòng)低于2DB，這個(gè)也要靠調(diào)試的功底，但是當(dāng)我看到增益的步長(zhǎng)為4DB時(shí)候我就笑了，因?yàn)閷?duì)于一個(gè)52DB增益的系統(tǒng)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(dá)1G，在這個(gè)很短的頻率內(nèi)帶內(nèi)的波動(dòng)幾乎可以忽略，而且步進(jìn)剛好是1DB，所以的東西都滿足要求，這就是數(shù)字衰減器實(shí)現(xiàn)的程控放大，數(shù)字衰減器實(shí)現(xiàn)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(shì)，之前自己用過(guò)的HMC307和HMC470以及該系列的數(shù)字衰減器都是滿足要求的，這就是最主要的核心芯片構(gòu)成的方案!

　　看一下HMC470的頻率以及帶內(nèi)損耗還有結(jié)構(gòu)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(nèi)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(xiàng)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(fù)的，所以需要額外加反相器，另外一片HMC307只能實(shí)現(xiàn)32DB，并不能夠達(dá)到52DB,所以需要2片級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)，而當(dāng)時(shí)的項(xiàng)目要求剛好也是超出了52DB，用的2片級(jí)聯(lián)輸出。原理如下圖所示：

　　該類衰減器之前接觸過(guò)不少，經(jīng)過(guò)測(cè)量后大部分發(fā)揮指標(biāo)是可以直接達(dá)標(biāo)的，我的印象中，HITTITE的衰減器在公開(kāi)的芯片廠商里面還算不錯(cuò)。

　　總結(jié)：有的時(shí)候選擇比努力重要，方案比調(diào)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(zhǎng)，新的環(huán)境里面面臨著新的挑戰(zhàn)當(dāng)然還有新的機(jī)遇。在深入技術(shù)的同時(shí)別忘了要對(duì)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。

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