大學(xué)生電子設(shè)計競賽—LC振蕩器

1、1題目要求1 .任務(wù)設(shè)計并制作一個 LC諧振放大器。2 要求設(shè)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。圖1.1電路框圖2. 1根本要求(1)衰減器指標(biāo)：衰減量40 士 2dB，特性阻抗50 Q,頻帶與放大器相適應(yīng)。2 )放大器指標(biāo)：a) 諧振頻率：f0 =15MHz ;允許偏差士 100kHz ;b) 增益：不小于 60dB;c) - 3dB帶寬：2 &0.7 =300kHz ;帶內(nèi)波動不大于 2dB ;d) 輸入電阻： Rin=50 Q;e) 失真：負(fù)載電阻為 200 Q,輸出電壓1V時，波形無明顯失真。(3)放大器使用3.

2、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. 2發(fā)揮局部(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(shù)Kr0.1。(3)設(shè)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 (Vomin/Vimin ) 20log (Vomax/Vimax ) (dB)。(4 )其他。2系統(tǒng)方案2.1系統(tǒng)方案與比擬衰減器電路局部方案一：采用T型衰減器I 。圖2. 1 T型衰減器如圖2.1所示電路可以在不改變等效電阻的前提下實現(xiàn)對信號電壓衰減，圖中增加的兩個電阻可以保持

3、等效電阻不變，所以此網(wǎng)絡(luò)被稱為T型網(wǎng)絡(luò)電路方案二：采用n型衰減器公式為:圖2.2 n型衰減 器如圖2.2所示電路為 n型網(wǎng)絡(luò)電路。它與T型網(wǎng)絡(luò)電路一樣可以實現(xiàn)信號衰減并保持輸入阻抗不變。假設(shè)衰減為40dB，輸入輸出阻抗為50 Q時，T型衰減器中R51 QRi1 Q, 而n型 衰減器中R51 Q, Ri2.5k Q。由于受引線和焊點的影響，阻值過小， 很難保證其精度，從而影響衰減的準(zhǔn)確度。所以，當(dāng)要求衰減較大時用n型衰減器較適宜。調(diào)諧放大電路局部 方案一：兩級共射級放大電路和一級調(diào)諧電路，單調(diào) 諧放大電路，電路簡單但矩形系數(shù)僅為9、96。方案二：兩級共射級放大電路和參差調(diào)諧電路，參差調(diào)諧放大 電

4、路，矩形系數(shù)能到達(dá)3-5 ,但電路復(fù)雜調(diào)試?yán)щy，所以我們選擇方案一?？煽卦鲆骐娐肪植糠桨敢唬翰捎每刂齐妷号c增益成線性關(guān)系的可編程增益放大器PGA?？煽卦鲆娣糯笃魅鏏D603 內(nèi)部由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，加在其梯型網(wǎng) 絡(luò)輸入端的 信號經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制 接口參考電壓決定；而 這個參考電壓可通過控制器進(jìn)行運算并控制D/A芯片輸出控制電壓得到，從而實現(xiàn)較精確的數(shù)控。但因功耗較大，且無法在3.6V單電源供電下正常工作，所以不選用此方案。方案二：采用分立元件使輸出電壓通過二極管檢波電路和低通電路轉(zhuǎn)換為直 流電壓，用單片機進(jìn)行采集，并通過DA輸出直流

5、電壓至放大電路的工作點調(diào)節(jié)處， 通過此反應(yīng)實時 調(diào)整放大電路的工作點從而實現(xiàn)AGC功能。因此方案選用都是分立元件，故可在低電壓情況下穩(wěn)定工作，所以選擇此方案。2.2 系統(tǒng)總體構(gòu)成 本系統(tǒng)設(shè)計包括四大局部：衰減器、共射級放大電路、選頻放大電路、可控 增益電路局部等系統(tǒng)構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)方框圖如圖2.3所示。信號源輸出 5mV交流信號，經(jīng)衰減器輸出 進(jìn)入兩級放大，再經(jīng)兩級調(diào)諧放大器后輸出給200 Q負(fù)載，AGC電路是在負(fù)載輸出端采集電 壓再通過二極管檢波電路，后經(jīng)單片機采集再通過DA輸出接至共射級放大電路的工作點調(diào)節(jié)處。圖2.3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方3理論分析與計算3.1阻抗匹配信號傳輸過程中負(fù)載阻抗和信源內(nèi)

6、阻抗之間的特定配合關(guān)系。電路間多級串聯(lián)的前級 輸出阻抗和后級的輸入阻抗之間所應(yīng)滿足的某種關(guān)系，以免接上串聯(lián) 后對電路本身的工作 狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。本系統(tǒng)要求衰減器的特征阻抗50 Q,放大器的輸入阻抗為50 Q,本系統(tǒng)通過在輸入端 并聯(lián)50 Q電阻實現(xiàn)了阻抗匹配。3.2增益分配此題目的根本要求放大倍數(shù)為60dB, 級放大不能到達(dá)這么大的放大倍數(shù)，所以需要多 級放大器組合完成。多級放大器為了防止放大器的自激就需要考慮 增益分配的問題。根據(jù)共射級放大電路電壓放大倍數(shù)的定義：Au=Uo/Ui在共射級放大器中在負(fù)載電阻一定下，選取晶體管是決定放大倍數(shù)的主要因素,4 vo= l =胃在LC諧振放大器中如

7、圖3.1所示為 諧振放大器等效電路圖:圖3.1諧振等效電路圖其中P1為晶體管的集電極接入系數(shù)，即式中，N2為電感L線圈的總匝數(shù)：P2為輸出變壓器的副邊與原邊匝數(shù)比,即式中N3為副邊總匝數(shù)。3.3選擇性諧振放大器的選擇性可用諧振曲線的矩形系數(shù)來表示 此題目要求諧振頻率：fo=15MHz ;允許偏差士 100kHz ; -3dB帶寬：2 f =300kHz ; 帶內(nèi)波動不大于 2dB ; 在最大增益情況下，盡可能減小矩形系數(shù)Kr0.1。矩形系數(shù)越接近1，臨近波道的選擇性越好，濾除干擾信號的能力越強。單 調(diào)諧的K值等于9.96，參差調(diào)諧小于此值，約3-5。所以本系統(tǒng)選用一級放大加調(diào)諧放大器組成，諧振

8、回路帶寬為 諧振回路諧振時所對應(yīng)的中心頻率表達(dá)式為品質(zhì)因數(shù)，其表達(dá)式為：；矩形系數(shù)通過公式的可以看出要想提高諧振回路的選擇性，就需要提高諧振放大器的中心頻率。 根據(jù)公式可以計算出本系統(tǒng)需要Q0的值為50。3.4 AGC本系統(tǒng)將使用控制放大器工作點的方式來實現(xiàn)AGC功能。AGC有兩種控制方式：一種是利用增加AGC電壓的方式來減小增益的方式叫正向AGC，一種是利用減小 AGC電壓的方式來減小增益的方式叫反向AGC .正向AGC控制能力 強，所需控制功率大被控放大級工作點變動范圍大，放大器兩端阻 抗變化也大；反向AGC所需控制功率小，控制范圍也小。因本系統(tǒng)要求低功耗， 所以本系統(tǒng)將應(yīng)用反向AGC控制

9、， 使增益控制在大于 40dB即： 20log(Vomin/ Vimin) 20log(Vomax/Vimax) ( dB)。3.5 低功耗 題目要求放大器局部單電源 3.6V 供電且功耗不能超過 360m W, 所以本系統(tǒng)將 使用低功 耗的電路結(jié)構(gòu)和元器件，以降低系統(tǒng)的功耗。4 電路設(shè)計4.1 衰減器電路設(shè)計衰減器選用n型電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行衰減，如圖4.1SOmVrms15MHzO'IF20pFR11125虬kR1O150；.C2 1nFHo|.丄RT350,圖4.1衰減電路 此電路實現(xiàn)了40dB的衰減，同時特征阻抗為50 Q4.2共射級放大電路設(shè)計VDD-mm 丁J6VR4:VDO|R&

10、#187; Mg,12SO%K*y-*R3.10*：.C5 zlCOnFC4II兩級共射放大電路增益共40dB,電路如圖4.2圖4.2共射級放大電路4.3選頻放大電路設(shè)計兩級選頻放大電路構(gòu)成參差調(diào)諧放大電路，第一級中心頻率為 二級中心頻率為15.1MHz，兩級調(diào)諧放大增益為 20dB ,中心頻率為15MHz 電路如圖4.3。14.9MHz ,第,dB帶寬為2MHz 。4.5完整電路-3ftMwVDOR4詼;W%：?4AnH'C3*C1HHIMnFC*TI- lOOflf33hfcBJTNPN_W!WALJU tw;4g330：-100cJ一 £込；ct1I1MnfVWl.W-

11、出& voc*M-L "!>-*c$T卜tMr<M二_TR72Q0CR« 10kQC74.R1:2400Jk= giF*I圖4.3選頻放大電路VTE>«¥HA4H1Q*hFCBMl"L£1彳Lio«ofIp ji nn _ nKni AiI ca40fiHCl世11J1 ME 加1UM10MFqi r皿CMM TLb _ HP*!vimiw1«n4>33®,1-4.6最大不失真產(chǎn)生電壓及功耗最大不失真輸出電壓能到達(dá)1.2VP 功耗=cc* lo=278mW5測試方法與測試結(jié)果5.1測試用儀器名稱與型號高頻信號發(fā)生器：SP1461數(shù)字合成高頻標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器 示波器：RIGOL DS-1152D-EDU 數(shù)字萬用表：VICTOR VC975.2測試方法及結(jié)果衰減器測試：將信號源輸出接至衰減器輸入，用示波器觀察衰減器的輸出記錄衰減器的衰減情況如表5.1輸入信號輸出信號1.0V9.87mV150mV1.34 mV表5.1522放大器測試：將信號源輸出接至衰減器輸入，用示波器觀察200 Q負(fù)載的輸出端。信號源輸入有效值5mV正弦波，頻率從10MHz以步進(jìn)10KHz增加到20MHz，觀察示波 器的波形記錄下來諧振