楊光義， 魏天奇， 李杰潘， 雷 燈

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，武漢 430072)

0 引 言

隨著現(xiàn)代電子和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信系統(tǒng)的工作頻率越來(lái)越高，頻帶也越來(lái)越寬，射頻電路變得舉足輕重，尤其在無(wú)線通信、雷達(dá)探測(cè)和航空航天等高科技領(lǐng)域，射頻電路正在發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1]。相比于低頻放大器，射頻寬帶放大器處于通信系統(tǒng)接收機(jī)的最前端，通常面臨信號(hào)弱、噪聲大、頻率高以及幅值跨度大等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，越來(lái)越成為決定系統(tǒng)性能的瓶頸所在[2]。為此，基于全差分放大和阻抗控制的思想[3]，本文設(shè)計(jì)了一套可控增益射頻寬帶放大系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)40～130 MHz寬范圍內(nèi)的射頻小信號(hào)無(wú)失真放大。

1 系統(tǒng)相關(guān)原理

1.1 全差分放大器原理

全差分運(yùn)算放大器是一種差分輸入/差分輸出放大器，除了具有良好的共模干擾抑制能力外，同時(shí)能夠消除奇模干擾中的偶次諧波，還具有動(dòng)態(tài)變化范圍大和有效抑制零點(diǎn)漂移等優(yōu)點(diǎn)[4]。當(dāng)輸入信號(hào)很小，同時(shí)信噪比很低的場(chǎng)合，全差分運(yùn)算放大器的優(yōu)越性尤為突出。圖1給出了單端運(yùn)算放大器與全差分運(yùn)算放大器電路模型。

(a) 單端運(yùn)算放大器

(b) 全差分運(yùn)算放大器

圖1 單端運(yùn)算放大器與全差分運(yùn)算放大器

圖1中，假設(shè)運(yùn)算放大器正常輸出不存在截止失真，即uo+、uo-或uo能夠從umax變換到umin，則單端運(yùn)算放大器輸出電壓uo的動(dòng)態(tài)范圍為：

uop-p=umax-umin

(1)

全差分運(yùn)算放大器輸出電壓uod的動(dòng)態(tài)范圍為：

Δuod=uo+-uo-=2(umax-umin)=2uop-p

(2)

可見，全差分運(yùn)算放大器輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍是單端運(yùn)算放大器輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍的兩倍。

將全差分運(yùn)算放大器輸出信號(hào)展開為統(tǒng)一的形式[5]：

uo+=a0+a1(ui-)+a2(ui-)2+a3(ui-)3+

a4(ui-)4…

(3)

uo-=a0+a1(ui+)+a2(ui+)2+a3(ui+)3+

a4(ui+)4…

=a0+a1(-ui-)+a2(-ui-)2+a3(-ui-)3+

a4(-ui-)4…

(4)

聯(lián)立(3)(4)得：

uod=uo+-uo-=2a1(ui-)+2a3(ui-)3…

(5)

式中，a0、a1、a2、a3、a4…為常數(shù)?？梢姡罘诌\(yùn)算放大器不僅能夠有效地消除共模干擾(如電源噪聲通常表現(xiàn)為共模干擾)，而且能夠消除奇模干擾中的偶次諧波。

設(shè)全差分運(yùn)算放大器的開環(huán)增益為α(f)，則[6]：

uo+-uo-=α(f)(up-un)

(6)

un和up的兩點(diǎn)的電壓表達(dá)式為：

ui+(1-β1)+uo-β1

(7)

ui-(1-β2)+uo+β2

(8)

將式(7)、(8)代入式(6)，得到輸入/輸出間的關(guān)系為：

uo+(1+α(f)β2)-uo-(1+α(f)β1)=

α(f)[ui+(1-β1)-ui-(1-β2)]

(9)

在實(shí)際應(yīng)用中，一般β1=β2=β，故電壓傳遞函數(shù)：

(10)

式中:uid=ui+-ui-為輸入差模電壓;uod=uo+-uo-為輸出差模電壓。

理想情況下α(f)→∞，即α(f)β>>1，則式(10)簡(jiǎn)化為：

(11)

通過(guò)外接電阻R1、R2、R3和R4，可以配置全差分運(yùn)算放大器的增益。

另外，全差分放大器還為很多應(yīng)用場(chǎng)合提供了一種將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙端差分信號(hào)的有效途徑[4]，如圖2所示。

圖2 利用全差分放大器將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)

為了防止共模電壓UOCM在差分輸出端產(chǎn)生失調(diào)電壓，全差分放大器兩個(gè)輸入端的凈阻抗必須相等，即：

R3=R1+RS

(12)

式中，RS為輸入信號(hào)ui的源阻抗。

同時(shí)，反饋電阻值的計(jì)算公式為：

R2=R4=GR3=G(R1+RS)

(13)

式中，G為放大器增益。

為了降低系統(tǒng)功耗，同時(shí)降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，可以利用傳輸線變壓器代替全差分放大器，實(shí)現(xiàn)單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙端差分信號(hào)的功能。

1.2 系統(tǒng)阻抗控制

為了讓信號(hào)在傳輸過(guò)程中不發(fā)生反射等現(xiàn)象，保證信號(hào)的完整性，盡可能降低傳輸損耗，需要在設(shè)計(jì)電路時(shí)充分考慮阻抗匹配[7]，同時(shí)考慮印刷電路板(PCB)的傳輸阻抗[8]。

為了使系統(tǒng)具有更好的兼容性，靈活地應(yīng)用于其他場(chǎng)合，系統(tǒng)以50 Ω為特性阻抗進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括無(wú)源濾波器輸入/輸出阻抗、各級(jí)放大器輸入/輸出阻抗和PCB中高速信號(hào)傳輸線的特性阻抗均設(shè)計(jì)為50 Ω。如圖3所示為高速信號(hào)傳輸?shù)奈Ь€模型[9]，W為微帶線寬度，h為介質(zhì)基片厚度，εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

圖3 微帶線模型

實(shí)際應(yīng)用中，微帶線的特性阻抗Z0可用下式計(jì)算：

(14)

式中:εre為等效相對(duì)介電常數(shù);

以4層PCB為例，板層分布為“信號(hào)層-地層-電源層-底層”，如圖4所示。信號(hào)線與地層構(gòu)成微帶線，取εr=3.91，W=8.5 mil，h=5 mil，代入式(14)得特性阻抗：

Z0=56.73 Ω

(15)

印刷電路板制造加工時(shí)，εr和W可以根據(jù)阻抗測(cè)試儀實(shí)際測(cè)得的特征阻抗值調(diào)整，直到滿足Z0=50 Ω的要求。在工程實(shí)踐中，為了避免繁瑣的計(jì)算，利用PCB阻抗分析輔助工具SI9000，設(shè)置好計(jì)算模型和參數(shù)后，可以非常方便的求出特性阻抗[10]。

圖4 PCB板層及參數(shù)設(shè)置示例

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

全差分可控增益放大系統(tǒng)主要由輸入信號(hào)調(diào)理、全差分放大、信號(hào)輸出、控制和電源等模塊組成，系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。

圖5中，輸入信號(hào)調(diào)理模塊由無(wú)源低通濾波器和單/雙轉(zhuǎn)換器組成，完成阻抗匹配、低通濾波和單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為雙端差分信號(hào)的功能。全差分放大模塊包括固定增益放大和可控增益放大兩部分，固定增益放大和可控增益放大采用兩級(jí)全差分放大器，確保系統(tǒng)有足夠大的增益。信號(hào)輸出模塊由雙/單轉(zhuǎn)換器、無(wú)源帶通濾波器和射頻功率放大器組成，雙/單轉(zhuǎn)換器將全差分放大模塊的雙端差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，經(jīng)無(wú)源帶通濾波器濾波，最后經(jīng)射頻功率放大完成信號(hào)輸出?？刂颇K主要由低功耗單片機(jī)MSP430F6638、LCD液晶屏、鍵盤和D/A轉(zhuǎn)換器TLV5616組成，單片機(jī)MSP430F6638從鍵盤獲取設(shè)置信息，驅(qū)動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換器TLV5616輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，從而控制可控增益放大器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增益調(diào)節(jié)，同時(shí)LCD液晶屏實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)信息。電源模塊完成DC/DC轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生系統(tǒng)正常工作所需的直流電壓。

圖5 系統(tǒng)組成框圖

2.2 系統(tǒng)增益分配

由于受到運(yùn)算放大器增益帶寬積(GBW)的限制，單級(jí)射頻放大器往往不能像低頻放大器那樣設(shè)置很高的增益。為了在足夠?qū)挼念l帶內(nèi)有足夠大的增益可調(diào)范圍，同時(shí)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)，各級(jí)增益分配如圖6所示(同1.2節(jié)所述，各級(jí)放大器輸入/輸出阻抗均設(shè)計(jì)為50 Ω)。

圖6 系統(tǒng)各級(jí)增益分配

為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，合理分配各級(jí)增益，每一級(jí)放大器均留有適當(dāng)?shù)脑Ａ?。圖6中，固定增益放大采用ADL5565全差分放大器，增益設(shè)置為12 dB，可控增益放大采用ADL5330可變?cè)鲆嫒罘址糯笃鳎鲆孀兓秶O(shè)置為-20～18 dB，雙/單轉(zhuǎn)換器選用ADT2-1T-1P傳輸線變壓器，增益設(shè)置為6 dB，功率放大選用RF2317射頻功率放大器，增益設(shè)置為15 dB。因此，理論上系統(tǒng)可控增益范圍為5～81 dB。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

由于本文的重難點(diǎn)在于射頻信號(hào)處理，限于篇幅，本文僅對(duì)輸入信號(hào)調(diào)理模塊、全差分放大模塊和信號(hào)輸出模塊展開。控制模塊以低功耗單片機(jī)MSP430F6638為核心，上電初始化后不斷掃描鍵盤，當(dāng)鍵盤有輸入時(shí)，MSP430F6638獲取鍵盤信息，控制D/A轉(zhuǎn)換器TLV5616輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，控制壓控增益放大器的放大倍數(shù)，同時(shí)在LCD液晶屏上顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)信息，具體電路圖略。電源模塊可以參考文獻(xiàn)[11]中電源部分的設(shè)計(jì)思路，本文不再展開。

3.1 輸入信號(hào)調(diào)理模塊

輸入信號(hào)調(diào)理模塊由無(wú)源低通濾波器和單/雙轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，具體電路如圖7所示。無(wú)源低通濾波器位于系統(tǒng)最前端，主要完成阻抗匹配和濾波的功能。為了保證通頻帶內(nèi)有平坦的幅度響應(yīng)，同時(shí)考慮濾波效果和設(shè)計(jì)復(fù)雜度，系統(tǒng)選用7階巴特沃斯無(wú)源低通濾波器。單/雙轉(zhuǎn)換器選用ETC1-1-13傳輸線變壓器，特性阻抗50 Ω，初次級(jí)變比1∶1，工作頻率范圍4.5～3 000 MHz。

利用巴特沃斯π型LC低通濾波器在線計(jì)算工具[12]，設(shè)截止頻率fc=300 MHz，特性阻抗Z0=50 Ω，濾波器階數(shù)n=7，得到：L1=L3=33.077 nH，L2=53.052 nH，C1=C4=4.722 pF，C2=C3=19.119 pF。結(jié)合電感和電容的標(biāo)稱值，圖7中的元件取值為：L1=L3=33 nH，L2=51 nH，C1=C4=4.7 pF，C2=C3=20 pF。與低頻濾波器不同的是，為了達(dá)到理想的濾波效果，除了選取正確的參數(shù)外，高頻器件的選擇是非常講究的。系統(tǒng)選擇LQW系列高Q值繞線型貼片電感。

圖7 輸入信號(hào)調(diào)理模塊電路圖

3.2 全差分放大模塊

全差分放大模塊是系統(tǒng)信號(hào)鏈的重點(diǎn)，由固定增益放大和可控增益放大兩部分組成，如圖8所示。固定增益差分放大器ADL5565具有6 GHz超高動(dòng)態(tài)范圍、出色的低噪聲和失真性能?？煽卦鲆娣糯笃鰽DL5330工作頻率范圍為10 MHz～3 GHz，可在60 dB范圍內(nèi)提供精密線性增益控制[13]。固定增益放大和可控增益放大均采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)，且兩級(jí)電路配置一樣，圖8均只展示了其中一級(jí)。

圖8中，ADL5565和ADL5330均采用+5 V單電源供電，外接+2.5 V偏置電壓。為了與固定增益放大器ADL5565輸入阻抗匹配，利用電阻R1、R2和輸入信號(hào)調(diào)理模塊中的單/雙轉(zhuǎn)換器ETC1-1-13構(gòu)成匹配網(wǎng)絡(luò)，保證信號(hào)傳輸?shù)耐暾?。D/A轉(zhuǎn)換器TLV5616在單片機(jī)MSP430F6638驅(qū)動(dòng)下，輸出0.45～1.28 V的控制電壓，通過(guò)可控增益放大器ADL5330的Pin24控制增益變化。為保證系統(tǒng)可靠工作，系統(tǒng)各個(gè)芯片供電處均采用NFM18PC104R1C3片狀三端子電容器濾波。

3.3 信號(hào)輸出模塊

信號(hào)輸出模塊由雙/單轉(zhuǎn)換器、無(wú)源帶通濾波器和射頻功率放大器組成，具體電路如圖9所示。

無(wú)源帶通濾波器主要承擔(dān)濾波和帶寬控制的功能。為保證通帶外信號(hào)有效地衰減，兼顧電路復(fù)雜度，系統(tǒng)選用7階橢圓無(wú)源帶通濾波器[14]。利用濾波器輔助設(shè)計(jì)工具Filter solutions[15]，設(shè)置無(wú)源低通濾波器截止頻率為200 MHz，無(wú)源高通濾波器截止頻率為30 MHz，二者級(jí)聯(lián)構(gòu)成無(wú)源帶通濾波器，通帶波紋設(shè)置為0.1 dB，源、負(fù)載阻抗均設(shè)置為50 Ω。

圖8 全差分放大模塊電路圖

圖9 信號(hào)輸出模塊電路圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，測(cè)試儀器清單如表1所示。

表1 測(cè)試儀器清單

4.1 通頻帶及通帶平坦度測(cè)試

設(shè)置輸入信號(hào)幅值ui=5 mV，系統(tǒng)增益調(diào)整為最大值，用示波器觀察輸出信號(hào)，記錄在表2中，根據(jù)表2繪制信號(hào)頻率f-輸出電壓uo/增益Gain曲線如圖10所示。

分析圖10可知，在40-180 MHz的頻帶內(nèi)，系統(tǒng)輸出電壓均大于2.00 V，即增益達(dá)到52 dB以上。在75～105 MHz頻帶內(nèi)增益起伏小于1 dB，在40～130 MHz頻帶內(nèi)增益起伏小于3 dB。且當(dāng)輸入信號(hào)頻率f≤22 MHz或f≥260 MHz時(shí)，系統(tǒng)增益均不大于20 dB。

表2 通頻帶及通帶平坦度測(cè)試表

圖10 信號(hào)頻率-輸出電壓/增益曲線

4.2 系統(tǒng)可控增益測(cè)試

分別設(shè)置輸入信號(hào)為ui=20 mV/f=75 MHz和ui=20 mV/f=90 MHz，調(diào)整系統(tǒng)增益，用示波器觀察輸出信號(hào)，記錄在表3和表4中，根據(jù)表3和表4繪制預(yù)置增益-輸出電壓和預(yù)置增益-實(shí)測(cè)增益曲線，如圖11所示。

表3 增益步進(jìn)測(cè)試表(f=75 MHz)

表4 增益步進(jìn)測(cè)試表(f=90 MHz)

(a) 預(yù)置增益-輸出電壓曲線

(b) 預(yù)置增益-實(shí)際增益曲線

從圖11(a)可以看出，對(duì)于75 MHz和90 MHz兩種不同頻率的輸入信號(hào)，在不同的預(yù)置增益下，輸出信號(hào)的幅值曲線幾乎重合，說(shuō)明系統(tǒng)的增益是非常穩(wěn)定的。從圖11(b)可以看出，系統(tǒng)在增益范圍12～40 dB之間調(diào)節(jié)時(shí)，實(shí)際增益與預(yù)置增益之間的誤差均小于1.0 dB，反映了系統(tǒng)的良好性能。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套全差分可控增益射頻寬帶放大系統(tǒng)，介紹了全差分運(yùn)算放大器工作原理，詳述了系統(tǒng)進(jìn)行阻抗控制的設(shè)計(jì)方法，給出了關(guān)鍵模塊的完整電路和詳細(xì)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠在40～130 MHz寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可控增益調(diào)節(jié)，最大增益52 dB，具有精度高和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，方便應(yīng)用于各種信號(hào)放大處理場(chǎng)合，具有廣泛的應(yīng)用前景。在此，特別感謝武漢大學(xué)設(shè)備處的大力支持。