一种宽带程控增益运放电路的制作方法

本实用新型涉及一种宽带程控增益运放电路，属于移动通信系统增益技术领域。

背景技术：

随着现代电子和通信技术的迅速发展，能够远距离随时随地的迅速而准确的传送多媒体信息已成为人们迫切的需要，于是无线通信技术得到迅猛发展，而在移动通信，雷达通信，信息对抗等领域中，射频宽带放大电路和其他电子系统发挥着越来越重要的作用，现已被广泛的应用。它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。其性能好坏直接影响到整个系统的水平，因此成为诸多射频系统设计的关键。

上限工作频率与下限工作频率覆盖范围足够宽的宽带放大电路，在通信系统中更是有着非常重要的作用，被广泛应用于各类滤波器，信号发生器，音视频放大电路中。在射频领域，传统的放大电路因频带窄、增益低等自身特点，往往无法应用，因此宽带射频放大电路的带宽、高增益、增益平坦度、动态范围就成为设计的关键性指标。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是设计一种低噪声，宽范围，高增益，平坦度良好的程控增益连续可调的运放电路。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种宽带程控增益运放电路，包括，

超低噪声运算放大器组成的前级放大电路、中间级程控增益粗调电路、中间级程控增益细调电路和后级放大电路。

所述中间级程控增益粗调电路采用LMH6574多路复用器实现不同衰减通道的选择，所述LMH6574的IN0引脚通过电阻R1连接射频连接器端子P3,LMH6574的IN1引脚通过电阻R2连接射频连接器端子P3，LMH6574的IN2引脚通过电阻R4连接射频连接器端子P3，LMH6574的IN3引脚通过电阻R6连接射频连接器端子P3，LMH6574的IN1引脚通过电阻R3连接到GND，LMH6574的IN2引脚通过电阻R5连接到GND，LMH6574的IN7引脚通过电阻R7连接到GND，LMH6574的A0和A1引脚分别连接到排针H1的1号和2号引脚，排针H1的1号引脚连接到GND，LMH6574的OUT引脚通过电阻R10连接到射频连接器端子P4，LMH6574的OUT引脚通过串联的电阻R8和电阻R9连接到GND，LMH6574的FB引脚连接到电阻R8和R9之间，LMH6574的SD引脚和EN引脚连接到GND。

进一步地，中间级程控增益细调电路包括VCA824压控增益放大器，所述VCA824的6号引脚连接射频连接器端子P5的反相，所述VCA824的3号引脚连接射频连接器端子P5的正向，且VCA824的3号引脚通过电阻R2连接到GND，且VCA824的6号引脚通过电阻R1连接到GND，VCA824的2号引脚通过串联的R4和R3连接到GND，VCA824的5号引脚和4号引脚之间连接有电阻R6，且在电阻R6的两端并联有电阻R5和电容C8，其中电阻R5和电容C8串联，VCA824的10号引脚通过电阻R8连接到射频连接器端子P6，R8和射频连接器端子P6之间的连线通过电容C7连接到GND。

进一步地，所述中间级程控增益细调电路还包括OP07运算放大器，OP07的6号引脚连接到电阻R3和电阻R4之间，OP07的6号引脚和2号引脚之间连接电阻R12，OP07的2号引脚通过电阻R11连接控制信号DA，OP07的2号引脚通过电阻R10连接到-5V，OP07的3号引脚通过R13连接到GND。

进一步地，所述后级放大电路采用THS3201芯片，所述THS3201的3号引脚通过电阻R1连接到GND，THS3201的3号引脚连接射频连接器端子P7的正相，THS3201的2号引脚通过电阻R3连接到GND，THS3201的2号引脚通过电阻R4连接到射频连接器端子P7的反相，THS3201的2号引脚和6号引脚之间连接有电阻R5，THS3201的6号引脚通过电阻R2连接到射频连接器端子P8，电阻R2和射频连接器端子P8之间的连线连接有R6接地电阻。

本实用新型所达到的有益效果：通过综合考虑各种类运放的原理、性能、使用方法以及优缺点，再结合实际工程应用的要求,能够对输入信号通过四级不同运放模块实现0-60dB连续程控增益可调,且在0-200MHz整个系统增益起伏远小于-3dB的设计方法。通过前级超低噪声运放抑制整个系统产生的噪声信号并调节直流偏置，中间一级粗调衰减和一级细调放大/衰减，实现整体0-60dB可调,其增益均由主控实现程控，后级电流型反馈运放可提高系统带载能力，保证信号高频段不失真；对现有各类宽带运放电路进行合理优化和改造，增加了程控增益的功能，采用更好的方案十分有效的扩大了整个电路的增益范围以及获得了更宽的带宽，同时整个系统还具有十分优异的平坦度。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构框图；

图2是本实用新型的各级增益分配图；

图3是本实用新型的程序流程图；

图4是本实用新型的OPA847电路原理图；

图5是本实用新型的LMH6574电路原理图；

图6是本实用新型的程控增益放大器VCA824电路原理图；

图7是本实用新型的THS3201电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

增益带宽积是测量放大器性能的一个参数。增益宽带积＝增益量×带宽，是指在开环增益随频率变化的特性曲性中以-20dB/十倍频程滚降的区域。对于电压反馈型运放,增益带宽积是一个常量。考虑到放大器的带宽拓宽,放大倍数提高,那么增益×带宽的量值也会随之增大，但是这样的增大量是不符合实际情况的,也就是说直接操作单级运放的可行性不高,所以采用多级放大的策略实现最终的放大效果。每一级的放大策略都要根据不同的方法类型去调整,通用运放基本上可以分为两类,一种是用电流型,一种是电压反馈型。不同类型的运放策略考虑的因素也会有所差异,其中电压反馈型要注重考虑整个增益带宽积的大小。

该设计首先需要选择高增益带宽积的运放芯片，同时由于此设计带宽较宽，在高频部分要特别注意阻抗匹配；为了实现增益可变，需要选用增益程控芯片；为了保证带宽内的平坦，需要选择在固定放大倍数下通频带能够保持平坦，或是多级之间的增益频率变化特性能互补而平坦的芯片；为了满足低噪声要求，从第一级开始就需抑制噪声，并在各级中减少噪声的带入。综合考虑后，决定将电路定为四级，其中第一级主要进行阻抗匹配和噪声抑制，固定增益放大；第二级采用程控增益粗调控制；第三级采用程控增益细调控制，以实现高增益、宽带宽和增益可变的平衡；最后一级采用电流反馈型运放以提高其带负载能力。

其中，前级放大采用OPA847超低噪声运算放大器，以减小前级噪声的引入。非常低的输入电压和电流噪声以及3.9GHz增益带宽产品的组合，使得OPA847成为宽带互阻抗应用的理想放大器。作为电压增益级，OPA847在+20V/V的增益下针对平坦的频率响应进行了优化，并稳定在低至+12V/V的增益下。新的外部补偿技术使得OPA847可以在任何反相增益下使用，并具有出色的频率响应控制。且OPA847将超高增益带宽和大信号性能与超低输入噪声电压相结合，仅使用18mA电源电流。在节能至关重要的地方，OPA847还包含一个可选的电源关断引脚，当拉低时，禁止放大器并将电源电流降至上电值的1％以下。这个可选功能可以保持断开连接，以确保在不需要断电时放大器正常工作。

图4是本实用新型的OPA847电路原理图；图4示出了OPA847的6号引脚通过R2连接到射频连接器端子P2，R2和P2中间的连线节点接R6接地电阻；OPA847的2号引脚和6号引脚之间连接电阻R5，OPA847的3号引脚连接到射频连接器端子P1的正向，OPA847的3号引脚连接接地电阻R1；OPA847的2号引脚通过电阻R4连接到射频连接器端子P1的反向，电阻R4连接和射频连接器端子P1的反向的连接线节点连接接地电阻R3。

第二级使用四种不同通道的电阻分压对信号进行衰减，但如果利用模拟开关选择不同的通道的话上限频率远达不到100MHz，所以此处采用LMH6574多路复用器实现不同衰减通道的选择，从而实现四种不同的衰减模式，达到增益粗调的效果。LMH6574在2VPP输出信号电平下提供400MHz的带宽和2200V/μs压摆率。其增益由外部反馈和增益设置电阻设置，以实现最大的灵活性。

图5是本实用新型的LMH6574电路原理图；图5示出了中间级程控增益粗调电路采用多路复用器LMH6574实现不同衰减通道的选择，所述LMH6574的IN0引脚通过电阻R1连接射频连接器端子P3,LMH6574的IN1引脚通过电阻R2连接射频连接器端子P3，LMH6574的IN2引脚通过电阻R4连接射频连接器端子P3，LMH6574的IN3引脚通过电阻R6连接射频连接器端子P3，LMH6574的IN1引脚通过电阻R3连接到GND，LMH6574的IN2引脚通过电阻R5连接到GND，LMH6574的IN7引脚通过电阻R7连接到GND，LMH6574的A0和A1引脚分别连接到排针H1的1号和2号引脚，排针H1的1号引脚连接到GND，LMH6574的OUT引脚通过电阻R10连接到射频连接器端子P4，LMH6574的OUT引脚通过串联的电阻R8和电阻R9连接到GND，LMH6574的FB引脚连接到电阻R8和R9之间，LMH6574的SD引脚和EN引脚连接到GND。

第三级采用VCA824压控增益放大器，带宽大于100MHz，且可控增益均可达到30dB以上，若用单片机输出电压经过由OP07构成的反向比例运算放大电路，产生-2V～0V的控制电压，再在反向端加入负电压经反向后输出1V电压，叠加到-2V～0V输出-1V～1V控制电压，可实现单级-20dB到20dB的增益变化，达到增益细调效果。VCA824是直流耦合，宽带，线性输入，连续可变，电压控制的增益放大器。该器件提供一个差分输入到单端转换，其高阻抗增益控制输入用于将增益从增益电阻(RG)和反馈电阻(RF)设置的标称最大增益降低40dB。VCA824内部架构由两个输入缓冲器和一个集成了乘法器内核的输出电流反馈放大器级组成，以提供完整的可变增益放大器(VGA)系统，无需外部缓冲。最大增益由两个电阻外部设定，在设计上提供了灵活性。最大增益设定在2V/V和40V/V之间。在±5V电源下工作时，VCA824的增益控制电压随着控制电压从1V变化到-1V而以V/V线性调整增益，提供出色的增益线性度。对于20dB的最大增益，增益控制输入电压在0V和1V之间变化。

图6是本实用新型的程控增益放大器VCA824电路原理图；图6示出了VCA824的6号引脚连接射频连接器端子P5的反相，所述VCA824的3号引脚连接射频连接器端子P5的正向，且VCA824的3号引脚通过电阻R2连接到GND，VCA824的6号引脚通过电阻R1连接到GND，VCA824的2号引脚通过串联的R4和R3连接到GND，VCA824的5号引脚和4号引脚之间连接有电阻R6，并且在电阻R6的两端并联有电阻R5和电容C8，其中电阻R5和电容C8串联，VCA824的10号引脚通过电阻R8连接到射频连接器端子P6，R8和射频连接器端子P6之间的连线通过电容C7连接到GND。

中间级程控增益细调电路还包括OP07运算放大器，OP07的6号引脚连接到电阻R3和电阻R4之间，OP07的6号引脚和2号引脚之间连接电阻R12，OP07的2号引脚通过电阻R11连接控制信号DA，OP07的2号引脚通过电阻R10连接到-5V，OP07的3号引脚通过R13连接到GND。

第四级使用THS3201作为后级放大，单级固定放大10倍，可较好的提高其带载能力。THS3201是一款宽带高速电流反馈放大器，设计用于当今高性能应用的±3.3V至±7.5V宽电源电压范围。宽电源电压范围，低失真和高压摆率，使THS3201非常适用于任意波形驱动器应用。其高电压工作能力使得THS3201特别适用于许多测试，测量和ATE应用，在这些应用中，低压器件不能提供足够的电压摆动能力。输出上升和下降时间几乎与步长无关，使THS3201成为缓冲高动态系统中具有优异线性度的小到大阶跃脉冲的理想选择。图7是本实用新型的THS3201电路原理图；图7示出了THS3201的3号引脚通过电阻R1连接到GND，THS3201的3号引脚连接射频连接器端子P7的正相，THS3201的2号引脚通过电阻R3连接到GND，THS3201的2号引脚通过电阻R4连接到射频连接器端子P7的反相，THS3201的2号引脚和6号引脚之间连接有电阻R5，THS3201的6号引脚通过电阻R2连接到射频连接器端子P8，电阻R2和射频连接器端子P8之间的连线连接有R6接地电阻。

本实用新型还包括主控制单元，所述主控制单元为MSP430F149的十六位单片机模块，利用其DA实现程控放大。德州仪器(TI)MSP430系列超低功耗微控制器由多个器件组成，具有针对各种应用的不同外设集。该架构结合五种低功耗模式进行了优化，以延长便携式测量应用的电池使用寿命。主控制单元输出控制信号DA通过电阻R11和电阻R12连接到OP07的6号引脚。

前级输入缓冲电路要求低噪声，抑制零漂，增益带宽积大。以超低噪声的OPA847作为输入级驱动电路，增益带宽积高达3.9GHz。将其增益通过外围电阻固定在20dB，利用其极低噪声特性将其放在第一级可降低整个系统的噪声，同时调节直流偏置和50Ω阻抗匹配。

中间级衰减电路使用不同通道电阻分压对信号进行衰减，采用LMH6574多路复用器实现不同衰减通道的选择。由于带宽较宽，当频率较高时阻抗匹配对整个系统的平坦度显得十分重要，各级模块间均为50Ω阻抗匹配，所以当把LMH6574作为第二级时，其输入级各分压电阻要满足并联组织为50Ω，所以经分析将四个通道分别设置为0/-14/-20/-26dB衰减。此方案可满足所需衰减要求且带宽可达200MHz。

压控放大器选择VCA824作为压控增益放大。VCA824提供一个差分输入到单端转换，其高阻抗增益控制输入用于将增益从增益电阻(RG)和反馈电阻(RF)设置的标称最大增益降低40dB。其最大增益可由两个电阻(RG、RF)外部设定，此处设置VCA824最大增益为10倍，通过调节压控端电压VRF调节增益。

后级采用电流型反馈运放THS3201来提高整个电路的带载能力以及后级阻抗匹配。电流型反馈运放没有严格的增益带宽积，比较适合高频设计，可以在较宽的频率范围内保持高增益。另外电流型反馈放大器具有输出电流大的优点，可以很好的提高带载能力，保证整个通频带内信号不失真。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。