低功耗 LC 諧振放大器-HLJ-d-026

1、-加密號：加密號：學校編號：HLJ-D-026 學校名稱：哈爾濱工程大學 隊員姓名：盧建霖、曾夢泉、李金奇 賽點負責人： 教務處章 2011年9月3 日摘要本系統為一個低壓、低功耗LC諧振放大器，放大部分采用高頻晶體管2SC3355來實現。放大器前端40dB固定衰減器為一個特性阻抗為50的型衰減網絡。LC諧振放大器中心頻率=15MHz，其-3dB帶寬為300KHz，帶內波動小于2dB。該放大器增益大于80dB，輸入阻抗為50，可在200的負載阻抗下輸出有效值為1.2V的無失真波形。該LC諧振放大器采用了雙調諧選頻，其矩形系數明顯小于單級并聯諧振。接入AD8367自動增益控制電路（AGC），AG

2、C的控制范圍大于40dB。由于采用晶體管來實現放大，最終該LC諧振放大器的總輸入電壓為3.6V，總輸出電流為40mA，總輸出功率為144mW，完全的符合低壓、低功耗的需求。關鍵詞：LC諧振放大器、2SC3355、AGC電路、雙調諧1、題目概述與方案論證題目的任務：設計并制作一個低壓、低功耗 LC 諧振放大器；為便于測試，在放大器的輸入端插入一個 40dB 固定衰減器。電路框圖見圖 1.1。圖1.1電路框圖1.1基本要求（1）衰減器指標：衰減量 402dB，特性阻抗 50，頻帶與放大器相適應。（2）放大器指標：a） 諧振頻率：=15MHz；允許偏差100kHz；b） 增益：不小于 60dB；c）

3、 3dB帶寬：2=300kHz；帶內波動不大于2dB；d） 輸入電阻：=50；e） 失真：負載電阻為200，輸出電壓 1V時，波形無明顯失真。（3）放大器使用3.6V穩(wěn)壓電源供電（電源自備）。最大不允許超過360mW，盡可能減小功耗。.2發(fā)揮部分 （1）在-3dB 帶寬不變條件下，提高放大器增益到大于等于 80dB。（2）在最大增益情況下，盡可能減小矩形系數 。（3）設計一個自動增益控制（AGC）電路。AGC控制范圍大于 40 dB。AGC 控制范圍為 20log(/)20log(/)（dB）。（4） 其他。、系統方案論證總體方案一：系統方框圖如圖2.1所示，系統由衰減網絡、集成運算放大、LC

4、諧振選頻、電壓跟隨器、雙柵場效應管構成的AGC電路組成。集成運算放大器完成電壓信號的放大，LC回路諧振在15MHz實現選頻功能，射隨電路將前后級阻抗匹配，雙柵場效應管搭建的AGC電路在滿足自動增益控制的同時又可保證功率輸出。圖2.1總體方案一總體方案二：系統方框圖如圖2.2所示，系統由衰減網絡、集成放大電路、雙調諧選頻、電壓跟隨器、AD8367構成的AGC電路以及功率推動級組成。甲類諧振放大器對輸入信號進行選頻和放大，可避免放大其他頻率的噪聲信號，雙調諧回路能夠保證系統滿足300KHz的同時具有較好的矩形系數。使用集成芯片AD8367搭建AGC電路，其最大輸入信號=2V，最大輸出信號=1V，所

5、以為了滿足題目放大器增益要求，在AGC電路后需對信號再進行一次放大，才能輸出1V的有效值。圖2.2總體方案二 總體方案比對：前級放大器：方案一前級放大器選用運算放大器電路調試簡單方便、線性度好、波形完美，但是功耗較大，并且集成運放供電電壓為通常為5V以上，集成運放想要正常工作需要額外加入升壓電路和電壓轉換電路，加大硬件調試難度而且成本太高。方案二前級放大器用分立元件三極管搭建，成本低廉且容易買到、供電電壓范圍寬、功耗低，所以前級放大器應選用分立器件三極管搭建的LC諧振放大器。諧振回路：方案一選擇多級LC諧振搭建簡單，帶寬也可滿足300KHz的條件，但是矩形系數不會有太大改善，方案二采用雙調諧電

6、路，在滿足300KHz的條件下也能減小矩形系數，故諧振回路我們選擇雙調諧回路。AGC電路：方案一的AGC電路選用雙柵場效應管，帶載能力強，亦可滿足輸出1V有效值的需求，但是由雙柵場效應管搭建的AGC電路控制范圍很難達到題目要求，方案二由AD8367搭建的AGC電路控制范圍滿足需求，但對輸入幅度和輸出幅度有較大的要求，需要額外加入放大電路。為滿足題目需求，我們采用AD8367搭建的AGC電路。綜上所述，方案一硬件要求高，集成運放附屬電路復雜，AGC電路局限性大，方案二成本低廉，功耗低，單級電路簡單，AGC電路可控性強，考慮到方案合理性、可行性、成本等綜合因素，我們將方案二定為本系統最佳方案。、理

7、論分析與計算3.1放大器的增益計算LC諧振放大電路前級由高頻小信號放大器構成，其電路原理圖如如圖3.1所示：圖3.1高頻小信號放大器原理圖其靜態(tài)工作點與甲類放大靜態(tài)工作點計算類似，公式如下：電壓增益 放大器輸出電壓Vo與輸入電壓Vi之比，稱為放大器的增益或放大倍數，用A v表示（有時以dB數計算）。電壓增益 ：Av=(Vo/Vi)分貝表示 ：Av=20lg(Vo/Vi)題目要求電壓增益不小于60dB，又有Au0=Au1*Au2=60dB，所以每一級的電壓增益應大于等于30dB，則有 由此可以計算每一級的導納。放大器的通頻帶放大器的電壓增益下降到最大值的 0.7（即 1/ ）倍時，所對應的頻率范

8、圍稱為放大器的通頻帶，用Bw=2f 0.7表示。2f 0.7 也稱為 3 分貝帶寬。由于放大器所放大的一般都是小信號，輸入的信號都包含一定的頻譜寬度，所以放大器必須有一定的通頻帶，以便讓必要的信號中的頻譜分量通過放大器。 放大器的通頻帶決定于回路的形式和回路的有載品質因數QL。此外，放大器的總通頻帶，隨著級數的增加而變窄。并且，通頻帶愈寬，放大器的增益愈小。3.2AGC電路的基本原理AGC電路原理圖如如圖3.2所示：圖3.2AGC原理圖自動增益控制電路的作用是：當輸入信號電壓變化很大時，輸出電壓恒定或基本不變。具體地說，當輸入信號很弱時，自動增益控制電路不起作用；當輸入信號較強時，自動增益控制

9、電路進行控制，輸出幅度固定在某一特定值，使放大電路的增益自動地隨信號強度而調整的自動控制。所有實現這種功能的電路簡稱AGC環(huán)。AGC環(huán)是閉環(huán)電子電路，是一個負反饋系統，它可以分成增益受控放大電路和控制電壓形成電路兩部分。增益受控放大電路位于正向放大通路，其增益隨控制電壓而改變。控制電壓形成電路的基本部件是 AGC 檢波器和低通平滑濾波器，有時也包含門電路和直流放大器等部件。放大電路的輸出信號u0 經檢波并經濾波器濾除低頻調制分量和噪聲后，產生用以控制增益受控放大器的電壓uc 。當輸入信號ui增大時，u0和uc亦隨之增大。uc 增大使放大電路的增益下降，從而使輸出信號的變化量顯著小于輸入信號的變

10、化量，達到自動增益控制的目的。3.3帶寬與矩形系數計算單調諧回路放大器的矩形系數遠大于1，也就是它的諧振曲線與矩形相差較遠，選擇性較差，根據矩形系數的定義 Am義為m級放大總增益 所以m級單調諧諧振諧振放大器的矩形系數為m越大，級數越多時，矩形系數越小，選擇性越好。同時有電路的Q值越大，級數越多，帶寬越小。雙調諧的頻率選擇性與多級的單調諧選頻回路相比具有更好的矩形系數。、電路設計4.140dB衰減器原理圖根據題目要求，衰減器衰減量為402dB，特性阻抗為50，我們采用了常用的型電阻衰減網絡。如圖4.1所示，為了增加衰減電路的精確度，我們所用的電阻均為1%的金屬膜電阻。圖4.1型衰減網絡電路圖根

11、據仿真軟件RFSim99仿真40dB衰減器，誤差為1%。如圖4.2所示： 圖4.2RFSim99對衰減器的仿真經由實際檢測，該衰減器輸入1Vpp的15MHz的信號，實際輸出由高頻毫伏表測量得出，約為3.5mV。4.2前置小信號LC諧振放大（兩級小信號諧振放大）60dB的增益由2級晶體管放大來實現，由于三極管2SC3355自身輸入阻抗較大，輸入端并聯51的電阻，最終并聯后總輸入阻抗為50。集電極接入電感量為3.3uH的繞制電感，對地并聯一個5-30pF可調電容，電感電容形成LC諧振。原理圖如圖4.3所示：圖4.360dB增益電路4.3雙調諧選頻雙調諧選頻經過變壓器阻抗阻抗變換輸入，它與單級諧振相

12、比，同樣能保證300KHz的帶寬，但是雙調諧選頻保證帶寬的同時可大幅降低矩形系數。其主要原理圖如4.4所示。電感選則采用磁環(huán)纏繞的自制電感，Q值230，電感量約4.5uH,電容采用5-30pF可調電容。圖4.4雙調諧電路4.4射極跟隨器電壓跟隨器在電路中起到隔離的作用，而且射隨輸入阻抗高，輸出阻抗低，起到阻抗變換的作用，實際的電路將集電極電阻換為電感，起到降低電路損耗、改善波形的作用，其電路原理圖如圖4.5所示。圖4.5射極跟隨電路圖 經過實際測試我們輸入0.5V信號，輸出0.442V信號，滿足實際需求。4.5AGC電路 根據題目要求，AGC電路采用ADI公司推出的寬電壓低功耗芯片AD8367

13、來實現。AD8367可工作在VGA(可變增益放大器(VGA)用于多種遠程檢測和通信設備中。從超聲波、雷達、激光雷達、無線通信到語音分析等應用都采用可變增益來增強動態(tài)性能。)和AGC模式，當工作在AGC模式時，只需要將檢波輸出引腳返回到增益控制引腳，檢波輸出的電壓與內部基準進行比較，進而形成一個閉環(huán)控制系統。AGC電路原理圖如如圖4.6所示：圖4.6AGC原理圖5、測試方案與測試結果5.1各項測試儀器的說明參數該放大器測試儀器見表5.1。表5.1測試儀器說明參數表儀器名稱重要參數1.RIGOL DS 5102C 雙通道數字示波器100MHZ 250MS/s 輸出阻抗1M2.BT3CRF寬帶掃頻儀

14、150M3.SG1056B 高頻標準信號發(fā)生器40MHZ 輸出阻抗504.T5100 示波器高頻探頭1: 5MHZ 105pF 1M10: 100MHZ 16pF 10 M5.EM1716直流電源無6.DA36A型超高頻毫伏表無7.TFG3050LDDS信號源50M 帶頻譜分析以及調制等功能測試說明：所用到的電壓值均為有效值，掃頻儀型號為BT3CRF寬帶掃頻儀。（1） 衰減器技術指標測試 由TFG3050LDDS信號源產生15MHz的不同幅度的信號，輸出接DA36A型超高頻毫伏表測量輸出信號，測量數據如表5.2所示：表5.2衰減器技術指標測試表輸入信號/V輸出信號/V衰減量/dB30.0274

15、0.920.01840.90.30.002840.60.020.0001840.90.0050.00004740.5（2） 諧振頻率：使用掃頻儀BT3CRF寬帶掃頻儀測試該系統的諧振頻率。首先，掃頻儀校準15MHz頻點，掃頻儀標頻方式選擇外標頻，外標頻輸入由TFG3050LDDS信號源提供，通過調整X軸與Y軸的位移和幅度，改變掃頻寬度，極性選擇+極性，DC/AC選擇AC檔位，最終將15MHz的頻點定格在掃頻儀顯示屏幕的中間。其次，將掃頻儀RF輸出端接入LC諧振放大器信號輸入端，給LC諧振放大器上電，觀測掃頻儀屏幕有無變化，通過不斷調整電路，使諧振曲線峰值定在15MHz。LC諧振放大器諧振頻率測

16、試最終如圖5.1所示，=15.0MHz40KHz， 圖5.1掃頻儀測試系統諧振頻率（3） 系統增益測試測試LC諧振放大器增益，輸入信號由TFG3050LDDS信號源提供，將各級電路完整的連接起來（不包括AGC電路），用DA36A型超高頻毫伏表測量實際輸出，測試數據見表5.3輸入信號/V輸出信號/V電壓增益/dB0.0040.546460.0050.645460.0060.75245.80.0091.10345.8表5.3 系統增益控制放大器增益為系統增益加40dB,所以放大器的增益約為85.9dB（4） 中心頻率為15M，-3dB帶寬2=300KHz，實際測量結果如圖5.2與圖5.3所示 圖5

17、.2 通頻帶300KHz的測量 圖5.2 中心頻率為15MHz（5） 放大器約輸入阻抗為50。（6） 負載電阻200，接入DS1102E型示波器輸出3.56V峰峰值，有效電壓為1.26V，波形如圖5.2所示，無明顯失真。圖5.2200輸出波形圖（7） 功耗測試：系統供電電壓3.6V消耗電流40mA所以系統功耗144mW，小于360mW。（8） 在最大增益下，、 故矩形系數=6.0（9） AGC電路自動增益控制=20mV，=2.8V；=1.10V，=1.15V,20log(/)20log(/)=42.5dB。（此處電壓為峰峰值）5.2結論與結果分析經測試我們的LC諧振放大器諧振中心頻率為： =15MHz；放大器增益為82dB；3dB帶寬：2 330kHz；負載