李訓(xùn)栓， 周 爽， 金 武， 王心華， 馮娟娟

(蘭州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，蘭州 730000)

一種基于MMIC的甚高頻程控增益放大器

李訓(xùn)栓， 周 爽， 金 武， 王心華， 馮娟娟

(蘭州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，蘭州 730000)

以單片微波集成電路(MMIC)INA02186為核心，VCA824和HMC470為增益控制芯片，設(shè)計(jì)了一種可變增益放大器。單片機(jī)(MCU)通過D/A轉(zhuǎn)換控制VCA824實(shí)現(xiàn)增益的粗調(diào)節(jié)，同時(shí)控制HMC470實(shí)現(xiàn)增益的細(xì)調(diào)節(jié)，在20～300 MHz甚高頻(VHF)帶上實(shí)現(xiàn)了-19～52 dB的增益控制。放大器具有寬頻帶、低噪聲和增益控制精確等特點(diǎn)。

單片微波集成電路； 可變增益放大器； 甚高頻； 單片機(jī)

0 引 言

通常情況下，數(shù)據(jù)采集和微弱信號(hào)分析系統(tǒng)中，傳感器所能采集到的信號(hào)都是很微弱的。這些微弱的離散的信號(hào)需要進(jìn)行放大，才能送入量程固定的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。信號(hào)放大的過程往往需要高精度、精益可控的放大器[1-4]，此類放大器在移動(dòng)通信、雷達(dá)探測等方面有廣泛的用途[5]。MMIC具有電路損耗小、噪聲低和頻帶寬等特點(diǎn)。以MMIC為前級(jí)放大器，由單片機(jī)進(jìn)行增益調(diào)節(jié)的程控增益放大器可以在甚高頻范圍內(nèi)滿足要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)由前級(jí)放大器、可變增益放大器、數(shù)字衰減器和后級(jí)放大器和單片機(jī)顯示與控制幾個(gè)模塊組成，其原理框圖如圖1所示。其中前級(jí)放大器由MMIC芯片INA02186實(shí)現(xiàn)，可變增益放大器以VCA824為核心，數(shù)字衰減器利用HMC470來完成。單片機(jī)通過D/A轉(zhuǎn)換控制可變增益放大器實(shí)現(xiàn)增益的粗調(diào)節(jié)，同時(shí)控制數(shù)字衰減器實(shí)現(xiàn)增益的細(xì)調(diào)節(jié)，從而使總增益實(shí)現(xiàn)了-19～52 dB寬頻帶范圍內(nèi)的連續(xù)變化。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路不同，方案采取了先放大再衰減的設(shè)計(jì)理念，旨在減小傳統(tǒng)多級(jí)放大引入的噪聲。后級(jí)采用AG603作為后級(jí)放大器，避免了運(yùn)放在高頻段由于壓擺率不足造成的失真。系統(tǒng)通過單片機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)了鍵盤手動(dòng)預(yù)設(shè)增益，LCD實(shí)時(shí)顯示預(yù)設(shè)增益等人機(jī)交互功能，使得系統(tǒng)易于操作。

圖1 程控放大器原理框圖

2 理論分析及器件選型

2.1 輸入輸出級(jí)器件選型

多級(jí)放大電路第一級(jí)的選擇是決定系統(tǒng)噪聲的關(guān)鍵[6-7]。傳統(tǒng)多級(jí)放大電路大多選取低噪聲運(yùn)算放大器為前級(jí),但低噪聲運(yùn)算放大器在高增益時(shí)帶寬損失較大[8-10]。因此，系統(tǒng)前級(jí)采用單片微波集成電路(MMIC)放大器INA02186實(shí)現(xiàn)31 dB增益放大。INA02186是低成本、低噪聲、大帶寬、高增益放大器，其典型噪聲系數(shù)為2 dB,帶寬為0.8 GHz，其增益曲線極其平坦，完全滿足指標(biāo)要求。輸出級(jí)電路的要求為全功率帶寬，其計(jì)算公式FPBW=SR/(2π·VP)。由此可見，當(dāng)帶寬為300 MHz，輸出峰峰值為6 V時(shí)，運(yùn)算放大器的壓擺率為11.309 7 kV/μs，幾乎沒有運(yùn)算放大器能夠勝任。因此后級(jí)選用放大器AG603實(shí)現(xiàn)，其噪聲系數(shù)為3.9 dB，能夠在高頻、大功率條件下無失真輸出。

2.2 可變增益放大器器件選型

VCA824是一款高速程控放大器，外置電阻設(shè)置最大增益，由模擬電壓控制實(shí)現(xiàn)40 dB增益變化范圍。它可提供6 nV/Hz1/2的低輸入電壓噪聲,在增益為20 dB時(shí)輸出電壓峰峰值為4 V時(shí)依然可提供高達(dá)320 MHz的帶寬。其增益與控制電壓之間的關(guān)系為：

使用高精度DAC即能夠?qū)崿F(xiàn)增益的線性變化。

2.3 數(shù)字衰減器選型

HMC470是一款5位TTL/CMOS控制數(shù)字衰減器。該數(shù)字衰減器采用低成本的無鉛SMT封裝，與片外隔直電容組合，可以使工作頻率接近直流。可以提供高精度，1 dB步進(jìn)的信號(hào)衰減并能在極寬的頻帶上保持增益曲線平坦。該衰減器控制方式簡單，控制位分別對應(yīng)-1、-2、-4、-8和-16 dB衰減值。真值表如表1所示。

2.4 系統(tǒng)增益分配及噪聲分析

INA02186前級(jí)放大器的增益為31 dB，VCA824的可調(diào)節(jié)增益為-20～20 dB，HMC470數(shù)字衰減器的增益調(diào)節(jié)范圍為-31～0 dB，最后AG603后級(jí)放大器的增益為19 dB，其中各級(jí)阻抗匹配電路產(chǎn)生的插入損耗-18 dB。因此系統(tǒng)固定增益為31+19-18=32 dB，總增益調(diào)節(jié)范圍為-19～52 dB。由于數(shù)字衰減器增益控制更為精準(zhǔn)，因此增益調(diào)節(jié)應(yīng)以調(diào)節(jié)數(shù)字衰減器為主，調(diào)節(jié)可變增益放大器為輔。實(shí)際輸出時(shí)可以使可變增益放大器輸出固定放大倍數(shù)-20,0和20 dB,因此系統(tǒng)增益可以分為3檔：1檔-19～12 dB;2檔12～32 dB;3檔32～52 dB。

表1 HMC470真值表

多級(jí)放大器的系統(tǒng)噪音主要由第一級(jí)放大器貢獻(xiàn)而后級(jí)網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)整體的噪聲性能影響較小，為簡化計(jì)算，僅考慮第一級(jí)噪聲。

PNI=kT0BN， BN=KNfC

式中：F為噪聲因子；NF為噪聲系數(shù)；PNO為輸出噪聲功率；PNI為輸入噪聲功率；GP為功率增益；k為玻爾茲曼常量；T0為熱力學(xué)溫標(biāo)；BN為噪聲帶寬；KN為校正因數(shù)(1階濾波器校正因數(shù)為1.57)；fC為截止頻率。第一級(jí)放大器噪聲系數(shù)為2 dB。設(shè)置截止頻率為300 MHz，溫度為300 K，后級(jí)電路按最大增益39 dB計(jì)算，噪聲電壓有效值僅為39.4 mV。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 超低噪聲電源模塊

TPS7a4700能夠?qū)崿F(xiàn)4 μV的超低噪聲輸出，是一款低壓差、高精度線性電源，最大能夠提供1 A電流。TPS7a3301噪聲有效值僅為16 μV，能夠提供最大為1 A的負(fù)載。電路連接如圖2所示，TPS7a4700的輸出電壓VCC為+6 V的直流電壓，TPS7a3301的輸出電壓VEE為-6 V直流電壓。VCC將為前級(jí)放大器、可變增益放大器和數(shù)字衰減器、后級(jí)放大器和D/A轉(zhuǎn)換器供電。VEE為可變增益放大器及D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器中的運(yùn)放提供負(fù)電壓供電。

3.2 前級(jí)放大器

前級(jí)放大器的設(shè)計(jì)如圖3所示，是整個(gè)放大電路中要求最為嚴(yán)苛的一環(huán)，電路的布局對前置放大器的噪聲及增益平坦度等性能影響巨大。電路布線時(shí)應(yīng)將地線感性降至最低，以保證最佳的接地性能。并且電源離MMIC得距離不宜太近，電路中宜加入經(jīng)過嚴(yán)格挑選的RFC(Radio Frequency Choke)電感。電路中P1 SMB接口連接輸入信號(hào)，P2 SMB為前級(jí)放大器放大輸出，連接可變增益放大器輸入端。

圖2 超低噪聲電源模塊電路

圖3 前級(jí)放大器電路圖

3.3 可變增益放大器和數(shù)字衰減器電路

增益控制電路由以VCA824為核心的可變增益放大器級(jí)聯(lián)以HMC470為核心的數(shù)字衰減器構(gòu)成，VCA824最大增益設(shè)為20 dB,并在12腳接入電位器調(diào)零，電位器采用Bourns公司的多圈精密電位器。VCA824增益控制端使用12位高精度DAC芯片LT1659實(shí)現(xiàn)，使用減法器將其電壓輸出范圍調(diào)整為-1.0～1.0 V。VCA824和HMC470都屬于寬帶敏感器件，容易受到外界干擾。因此電路布局時(shí)，各器件應(yīng)按射頻電路布局要求盡量靠近芯片，并且應(yīng)使用足夠的過孔連接頂層和底層地平面?？勺冊鲆娣糯笃魅鐖D4所示，其中：VEE連接電源模塊的負(fù)電源端；P1 SMB接口為信號(hào)輸入端與前級(jí)放大器輸出連接；P2 SMB在不采用差分放大的情況下空置；P3 SMB為信號(hào)輸出端與數(shù)字衰減器相連；P4 SMB連接D/A轉(zhuǎn)換器的電壓輸出端；C1為低電感、高自諧振頻率的x2y電容；R4為反饋電阻；R5為輸出電阻。

數(shù)字衰減器的電路連接如圖5所示，引腳ACG1-6通過電容接地為交流信號(hào)提供對地通路，提高低頻性能，其中P1 SMB接口為輸入端口與前級(jí)的可變增益放大器的輸出端連接，引腳V～V5通過P3連接單片機(jī)IO，由單片機(jī)IO輸出控制HMC470真值表對應(yīng)的增益，P2 SMB為信號(hào)輸出連接后級(jí)放大器。

圖4 VCA824可變增益放大器

圖5 HMC470數(shù)字衰減器電路

3.4 后級(jí)放大器

AG603是一款通用緩沖放大器。為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，其外圍電路的參數(shù)不能自由選擇。并且在布局時(shí)，除接地及噪聲外，散熱性能也應(yīng)適當(dāng)考慮，電路連接如圖6所示，其中P1 SMB為信號(hào)輸入端連接前級(jí)的數(shù)字信號(hào)衰減器；P2 SMB為信號(hào)輸出端。

圖6 AG603后級(jí)放大器電路圖

3.5 D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器電路由LT1763CDE-5供電電路、兩片LT6656以及LT1659 D/A轉(zhuǎn)換芯片組成，如圖7所示。電路中LT1763CDE-5為D/A轉(zhuǎn)換電路提供+5V的供電，LT6656-2.5芯片為D/A轉(zhuǎn)換電路提供+2.5 V的參考電壓，LT1659的CLK、DIN、CS/LD和Dout引腳與單片IO通過P4相連，接收單片機(jī)輸出的數(shù)字量，引腳Vout電壓輸出范圍為0～2.5 V。將LT6656-1.25芯片輸出的+1.25 V電壓接入由運(yùn)放OP37組成的減法器電路的反相端，同相端與D/A的輸出Vout相連，減法器電路的輸出范圍為-1.25～+1.25 V。P1 SMB接口與可變增益放大器中的VG端相連。為了減少提高電路的抗干擾性，電路采用模擬地和數(shù)字地隔離的設(shè)計(jì)，兩者之間通過R1鐵氧體磁珠連接。

3.6 單片機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)MCU模塊電路圖如圖8所示，單片機(jī)采用STC12C5A60S2[11-15]，其中按鍵S3、S4和S5分別控制增益的增大、減小和復(fù)位。顯示采用Nokia5110液晶屏，用以顯示當(dāng)前的系統(tǒng)增益和MCU模塊的輸出控制碼，P2接口連接數(shù)字衰減器，P3接口連接D/A轉(zhuǎn)換器用以控制可變增益放大器。

程序采用模塊編程的方式，由一個(gè)主程序和若干程序模塊組成，主程序通過調(diào)用各個(gè)程序模塊控制子程序間的時(shí)序，使整個(gè)程序正常運(yùn)行。MCU主要完成讀取鍵值、計(jì)算增益、控制D/A轉(zhuǎn)換器、控制衰減器和顯示功能，程序流程圖如圖9所示。程序的重點(diǎn)在于交叉控制D/A轉(zhuǎn)換器與數(shù)字衰減器。增益分為3檔，控制D/A轉(zhuǎn)換器的輸出可以使VCA824可變增益放大器實(shí)現(xiàn)增益量程切換，然后控制HMC470數(shù)字衰減器實(shí)現(xiàn)增益精確輸出。增益分為3檔：1檔-19～12 dB;2檔12～32 dB;3檔32～52 dB。假設(shè)要實(shí)現(xiàn)5、10、20、30、 40和50 dB的增益放大，單片機(jī)的控制碼輸出和各模塊參數(shù)如表2所示。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

設(shè)置信號(hào)源產(chǎn)生正弦信號(hào)送入系統(tǒng)，負(fù)載為50 Ω。用示波器同時(shí)觀察系統(tǒng)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào),用示波器觀測輸出信號(hào)是否失真并用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量波特圖。經(jīng)示波器觀察，噪聲電壓有效值小于60 mV且波形無明顯失真。預(yù)設(shè)增益49 dB，起始頻率0.100～300 MHz下放大器的波特圖，如圖10所示。

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在預(yù)設(shè)增益為12～52 dB下測試連續(xù)增益輸出數(shù)據(jù)如表3所示，測試起始頻率20～270 MHz，輸入功率40 dBm，每3 s步進(jìn)增加4 dB。

圖7 D/A轉(zhuǎn)換器電路

圖8 單片機(jī)MCU模塊電路圖

檔位D/A控制碼D/A芯片輸出/V減法器輸出/V可變增益放大器增益/dB數(shù)字衰減器控制碼數(shù)字衰減器增益/dB固定增益/dB最終增益/dB10x019A0.25-1.0-200x03-732510x019A0.25-1.0-200x17-2321020x08001.25000x19-12322020x08001.25000x12-22323030x0E662.251.0200x19-12324040x0E662.251.0200x17-23250

圖9 MCU控制軟件流程圖

由表中數(shù)據(jù)可以看出，增益在通頻帶內(nèi)平穩(wěn)，起伏不大。實(shí)際增益與預(yù)設(shè)增益吻合。能夠?qū)崿F(xiàn)文中描述的增益步進(jìn)可調(diào)，并且在輸入信號(hào)電壓有效值僅有2.2 mV時(shí)，依然能保持較好的性能。但是，由于該系統(tǒng)是分模塊組裝，連接復(fù)雜，引入了許多不穩(wěn)定因素。信號(hào)輸出經(jīng)過了較多線材，增益不穩(wěn)定。值得注意的是，不論系統(tǒng)增益如何改變，160 MHz處均可見明顯增益凹陷。該缺陷很有可能是由系統(tǒng)連接造成，當(dāng)系統(tǒng)連接穩(wěn)定后(見圖10)，160 MHz處增益凹陷消失，增益平坦度大幅提高。各模塊之間的回路的連接過長，使系統(tǒng)產(chǎn)生了額外的噪聲，也導(dǎo)致了系統(tǒng)中的地平面的不一致。由于放大器系統(tǒng)中使用的多數(shù)器件都為單電源供電，并且級(jí)聯(lián)過程使用了大量小容量隔直電容以保證高頻性能，因此下限截止頻率較高。若將各獨(dú)立模塊合為一塊整體并適當(dāng)增大隔直電容容量，該系統(tǒng)的性能也能得到進(jìn)一步提升。

圖10 放大器波特圖

表3 放大器連續(xù)增益輸出

5 結(jié) 語

測試結(jié)果表明放大器在20～300 MHz范圍內(nèi)增益平坦，實(shí)現(xiàn)了可變增益放大器與數(shù)字衰減器的聯(lián)合控制，并且在輸入電壓有效值僅有2.2 mV時(shí)依然能保持較好的性能。單片微波集成電路的甚高頻程控增益放大器具有程控增益范圍大，步進(jìn)調(diào)節(jié)精細(xì)，系統(tǒng)噪聲低以及通頻帶范圍大等優(yōu)點(diǎn)，非常適合運(yùn)用在敏感測量儀器、醫(yī)療、射頻等應(yīng)用中。

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A Very High Frequency Programmable Gain Amplifier Based on MMIC

LIXunshuan,ZHOUShuang,JINWu,WANGXinhua，F(xiàn)ENGJuanjuan

(School of Physical Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

A new variable gain amplifier which was based on Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) INA02186，and the gain control chips VCA824 and HMC470 was designed. VCA824 was controlled by DAC with MCU and HMC470 by MCU, and they fulfilled the rough and fine adjustment, respectively. The amplifier had a splendid gain range from -19 dB to 52 dB with a wide bandwidth of 20 MHz to 300 MHz, i.e., a very high frequency (VHF) band. The amplifier had the character of wide pass band, low noise and precious gain control.

MMIC； variable gain amplifier; very high frequency； MCU

2016-09-15

2016國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目(201610730072，201610730069)

李訓(xùn)栓(1981-)，男，河南濮陽人，碩士，工程師，主要從事機(jī)器人傳感器和嵌入式軟件開發(fā)。

Tel.：13919372815；E-mail：lixunshuan@lzu.edu.cn

TN 722.5

A

1006-7167(2017)06-0073-06