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(jié)的時候給我在武漢的老師打了個電話，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生才是最高興的吧。這老師這么多年來對我們挺好，平時沒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賽題，其中一眼就看到射頻放大器這個題目，想都不用想就猜我老師今年帶的組是這個題，因為就算是我自己也會選擇這個題目，而且當年也做過程控放大器，雖然指標的頻率沒有這么高，但是這幾年憑著自己對芯片指標的回憶覺得這個題只要方案選的好幾乎一天就能做出來，而其他有好幾個題目例如干擾儀和頻譜儀估計還得費一點心思。

　　對于這個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，因為后面很長一段時間自己研究過可控增益器件，也做過高精度的可控源。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年自己做過的程控放大。

　　指標要求為10M的可控范圍40DB的程控放大。

　　那個時候整個實驗室的人都希望自己手里有很多vca810,所以毫無疑問當時也對810最為熟悉，所以選的這個可控器件做的程控放大。

　　系統(tǒng)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)過反向放大電壓來調(diào)節(jié)，電壓步進為1mV，范圍在-40～40 dB。再通過軟件設計的多階濾波器實現(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行輸出。程控部分采用單片機外加鍵盤控制。LCD12864實時更新電壓幅值。

　　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只能說你是做夢!且控制電壓與增益dB數(shù)成線性關系，滿足設計要求。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(jié)果。

　　主要信號的原理圖如下。也可下載附件。

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

　　這是自己當時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有道理的，不僅僅是因為他熟悉，而是后面接觸過很多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，這就使得一個程控放大更加簡單化。

　　然后再來看下15年程控放大的要求：

　　一、任務

　　設計并制作一個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，波形無明顯失真;

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

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

　　(4)實現(xiàn) AV 增益步進控制， 增益控制范圍為 12dB～40dB， 增益控制步長為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，波形無明顯失真;

　　(2)在 50MHz～160MHz 頻率范圍內(nèi)增益波動不大于 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，實測電壓增益 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(diào)試很難滿足要求，而發(fā)揮部分的頻率50-160M，這個頻率TI的程控放大器無法滿足要求，帶內(nèi)波動低于2DB，這個也要靠調(diào)試的功底，但是當我看到增益的步長為4DB時候我就笑了，因為對于一個52DB增益的系統(tǒng)而言，步進為4DB說明他的精度要求不高，這讓我很快的想到了之前做過的高精度頻率源，頻率高達1G，在這個很短的頻率內(nèi)帶內(nèi)的波動幾乎可以忽略，而且步進剛好是1DB，所以的東西都滿足要求，這就是數(shù)字衰減器實現(xiàn)的程控放大，數(shù)字衰減器實現(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，給程序方面也帶來了很有優(yōu)勢，之前自己用過的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。

　　控制很簡單，5個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，并且控制簡單。這也是很關鍵的一部分。

　　至于帶內(nèi)波動，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潔。

　　但是這里，考慮到封裝問題，之前做的一個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只能實現(xiàn)32DB，并不能夠達到52DB,所以需要2片級聯(lián)實現(xiàn)，而當時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：

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

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

　　如果你有類似對程控放大或者針對該題還有更好的方案，歡迎隨時溝通交流。