LC諧振放大器課件

1、中文摘要LC諧振放大器摘 要 LC諧振放大器是通信設(shè)備中常用的功能電路，它所放大的信號(hào)頻率在數(shù)百千赫至數(shù)百兆赫。LC諧振放大器的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱的高頻信號(hào)進(jìn)行不失真的放大，從信號(hào)所含頻譜來(lái)看，輸入信號(hào)頻譜與放大后輸出信號(hào)的頻譜是相同的。 LC諧振放大器的分類： 按元器件分為：晶體管放大器、場(chǎng)效應(yīng)管放大器、集成電路放大器; 按頻帶分為：窄帶放大器、寬帶放大器; 按電路形式分為：?jiǎn)渭?jí)放大器、多級(jí)放大器; 按負(fù)載性質(zhì)分為：諧振放大器、非諧振放大器; 其中LC諧振放大器廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)和其它無(wú)線電系統(tǒng)中，特別是在發(fā)射機(jī)的接收端，從天線上感應(yīng)的信號(hào)是非常微弱的，這就需要用放大器將其放大。LC諧振放大器

2、理論非常簡(jiǎn)單，但實(shí)際制作卻非常困難。其中最容易出現(xiàn)的問(wèn)題是自激振蕩，同時(shí)頻率選擇和各級(jí)間阻抗匹配也很難實(shí)現(xiàn)。本文以理論分析為依據(jù)，以實(shí)際制作為基礎(chǔ)，用LC振蕩電路為輔助，來(lái)消除高頻放大器自激振蕩和實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的。關(guān)鍵詞：LC諧振、放大、選頻、震蕩I目 錄1 方案設(shè)計(jì)與論證 51.1衰減器的選擇51.2 選頻電路的選擇51.3 LC諧振放大選型52 主要技術(shù)指標(biāo) 6.1 電壓增益 6.2放大器的通頻帶6.3放大器矩形系數(shù)6.4諧振頻率63 電路設(shè)計(jì)7 3.1 T型電阻網(wǎng)絡(luò) 7 3.2 LC并聯(lián)諧振回路7 3.3LC諧振放大器電路圖84 仿真調(diào)試8 4.1 仿真軟件84.2測(cè)試方法84.3 衰減器仿真

3、 84.4仿真電路圖9 4.5諧振頻率測(cè)試94.6 幅頻特性圖 105 設(shè)計(jì)總結(jié)106 實(shí)物調(diào)試記錄解說(shuō) 10 6.1 制作好的芯片 10 6.2 調(diào)試電壓顯示 117 參考文獻(xiàn) 128 附錄12 附1：部分元器件清單12附2：儀器設(shè)備清單 12附3：AD8367說(shuō)明129 致謝151方案設(shè)計(jì)與論證 1.1衰減器的選擇方案一：非線衰減網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)題目要求頻帶要與放大器相適應(yīng)，則要求3dB帶寬足夠?qū)?，特性阻抗保?0歐，這樣時(shí)比較難達(dá)到的。方案二：電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，只要選取高精度的電阻，就可以提高衰減的精確度。1.2選頻電路的選擇：方案一：LC串聯(lián)諧振回路根據(jù)LC諧振回路的特點(diǎn)可知：串聯(lián)諧振在失諧時(shí)電

4、抗大，諧振時(shí)電抗小，搭建的電路中需要以相位條件、選頻、信號(hào)幅值等為原則；根據(jù)題目要求，要使電路的增益盡可能的大，但是在LC串聯(lián)諧振選頻網(wǎng)絡(luò)中，在電路諧振時(shí)其增益會(huì)降到最小。方案二：LC并聯(lián)諧振回路根據(jù)LC諧振回路的特點(diǎn)可知：并聯(lián)諧振在失諧時(shí)電抗小，諧振時(shí)電抗大，搭建的電路中需要以相位條件、選頻、信號(hào)幅值等為原則；根據(jù)題目要求，要使電路的增益盡可能的大，在LC并聯(lián)諧振選頻網(wǎng)絡(luò)中，在電路諧振時(shí)其增益達(dá)到最大，達(dá)到諧振選頻、增強(qiáng)的目的。 1.3、LC諧振放大選型 方案一： 簡(jiǎn)單的放大電路可以由三級(jí)管搭接的放大電路實(shí)現(xiàn)，為了滿足增益為80dB的要求，可以采用多級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)。但是由于方案中采用較多的分

5、離元件，電路復(fù)雜且工作點(diǎn)調(diào)整會(huì)比較難，在多級(jí)放大中考慮到相互間的影響且其穩(wěn)定性較差。方案二：在輸入信號(hào)較小的情況下，實(shí)現(xiàn)80dB的調(diào)節(jié)，本可以由一級(jí)放大實(shí)現(xiàn)，但是負(fù)載的接入會(huì)使放大倍數(shù)下降，所以考慮采用多級(jí)運(yùn)放來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的放大，而在運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的電路中反饋電阻的接入會(huì)使得整個(gè)電路的功率超出題目要求且?guī)挼目刂埔矔?huì)比較的難把握。方案三：根據(jù)題目對(duì)帶寬及功率和增益的要求，考慮用多級(jí)放大，但是不同級(jí)的放大器件的選取是不一樣的，一級(jí)放大電路采用三級(jí)管來(lái)實(shí)現(xiàn)放大，同時(shí)選取LC并聯(lián)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)選頻；二級(jí)放大中考慮直接選取可調(diào)增益的運(yùn)放AD8367實(shí)現(xiàn)，其增益范圍由加在增益控制接口的參考電壓決定，增益可控范圍為正

6、負(fù)45dB,利用G(dB)=-45（Vc+1）dB進(jìn)行計(jì)算。該方案的特點(diǎn)是電路集成度高，且AD8367芯片易于調(diào)試，工作穩(wěn)定，抗干擾能力相對(duì)較強(qiáng)，故我們選擇方案三作為L(zhǎng)C震蕩放大模塊。小結(jié)：經(jīng)過(guò)幾番仔細(xì)的論證和比較，我們決定了本電路的主要模塊方案如下： 衰減器：T型電阻網(wǎng)絡(luò) LC諧振回路：LC諧振回路并聯(lián) 放大電路：選取方案三2.主要技術(shù)指標(biāo)（1）電壓增益.Avo （2）放大器的通頻帶 由于諧振回路的選頻作用，當(dāng)工作頻率偏離諧振頻率時(shí)，放大器的電壓放大倍數(shù)下降，習(xí)慣上稱電壓放大倍數(shù)Av下降到諧振電壓放大倍數(shù)Avo的0.707倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍稱為放大器的通頻帶BW，其表達(dá)式為：式中，為諧振放

7、大器的有載品質(zhì)因素。由BW得表達(dá)式可知： 通頻帶越寬的電壓放大倍數(shù)越小。要想得到一定寬度的通頻帶，同時(shí)又能提高放大倍數(shù)的電壓增益，由式知，除了選用較大的晶體管外，還應(yīng)盡量減少調(diào)諧回路的總電容量。（3）放大器的矩形系數(shù)矩形系數(shù)為放大電壓倍數(shù)下降到0.1 Avo時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍與電壓放大倍數(shù)下降到0.707 Avo時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率偏移之比，即上式表明，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(hào)的能力越強(qiáng)。（4）諧振頻率放大器的諧振回路諧振時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為諧振頻率。的表達(dá)式為 式中，L為諧振放大器電路的電感線圈電感量；為諧振的總電容，的表達(dá)式為： 式中，為晶體管的輸出電容；為晶體管的輸入電容

8、。 諧振頻率的測(cè)試步驟是：首先使高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率為，輸出電壓為幾毫伏；然后調(diào)諧集電極回路改變電容C或電感L使回路諧振。LC并聯(lián)諧振時(shí)，直流毫安表mA的指示值最小，電壓表V2指示值達(dá)到最大，且輸出波形無(wú)明顯失真。這時(shí)回路諧振頻率就等于信號(hào)發(fā)生器的頻率。3電路設(shè)計(jì)3.1 T型電阻網(wǎng)絡(luò)本網(wǎng)絡(luò)由純電阻按T分布構(gòu)成，電路圖及其參數(shù)計(jì)算如下：查T型固定衰減器的衰減量與固定電阻值的表可知：R1=R2=49ohmR3=1ohm3.2、 LC并聯(lián)諧振回路 根據(jù)題目要求，電路的諧振頻率要在15MHZ,則由以下計(jì)算公式： 諧振頻率 將15MHZ帶入計(jì)算可知LC的值，在實(shí)際應(yīng)用中如圖引入可調(diào)電容來(lái)調(diào)解題目所要

9、求的諧振頻率即可3.3 LC諧振放大器電路圖及PCB版圖各個(gè)電阻，電容，電感的值可根據(jù)以上公式求得 4仿真調(diào)試4.1仿真軟件 Multisim10.04.2.測(cè)試方法 根據(jù)仿真軟件特性，可以搭建以上電路圖，在電路搭建的基礎(chǔ)上，利用軟件中的電壓表、電流表、示波器，幅頻特性測(cè)試儀等進(jìn)行測(cè)量，并在仿真電路中做參數(shù)的調(diào)整。4.3 衰減器仿真圖4.4仿真測(cè)試電路圖由multisim的仿真知道輸入電阻RinRin=50ohm4.5諧振頻率的測(cè)試如上圖示：是輸入電壓與輸出電壓的波形圖，其時(shí)間差值由上可知為66.226ns，轉(zhuǎn)換為頻率約為15MHZ，則說(shuō)明電路圖中各參數(shù)的設(shè)置滿足題目要求4.6 幅頻特性圖 5

10、設(shè)計(jì)總結(jié) 經(jīng)過(guò)為期四天的設(shè)計(jì)，感觸頗深的是理論與實(shí)踐是分不開的！在大賽開始時(shí)，我們經(jīng)過(guò)討論選擇了LC諧振放大器這題，原本以為根據(jù)對(duì)已學(xué)課程的了解，我們就可以較其他題目而言輕松完成任務(wù)，但是后來(lái)我們認(rèn)識(shí)到純模擬電路的理論知識(shí)固然比控制類的要簡(jiǎn)單，但是在實(shí)踐時(shí)，問(wèn)題就頻頻出現(xiàn)，如參數(shù)的設(shè)置等。雖然實(shí)物與模擬在調(diào)試時(shí)的值有一定的差距，成品也并沒(méi)有預(yù)期的那樣，很多時(shí)候模擬測(cè)出的量和實(shí)際測(cè)出的量會(huì)差很多，這不僅要有一定的耐心去好好補(bǔ)補(bǔ)理論知識(shí)，還要知道一些元器件的工作特性。總之經(jīng)過(guò)這次的競(jìng)賽，我們明白了團(tuán)隊(duì)合作的重要性，明白了知識(shí)是無(wú)限的，更明白了要我們懂的東西還不止這些。我們的設(shè)計(jì)還存在著缺陷，有待于

11、在將來(lái)設(shè)計(jì)中進(jìn)一步提高，在此懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。6 .實(shí)物調(diào)試記錄說(shuō)明6.1 制作好的芯片6.2 調(diào)試放大電壓顯示7參考文獻(xiàn)1 童詩(shī)白、華成英等.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版） 高等教育出版社.20062 曾興雯，劉乃安等。高頻電路原理與分析第三版。西安電子科技大學(xué)出版社，20013 陽(yáng)昌漢.高頻電子線路.哈爾濱：高等教育出版社，20064 謝白美.電子線路設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn).測(cè)試.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000 8. 附錄附1：部分元器件清單 可調(diào)電源一個(gè) 三極管2N5551一個(gè) 電阻電容電感若干 導(dǎo)線若干 附2：儀器設(shè)備清單 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 示波器附3：AD8367說(shuō)明AD8367具有以下主要特

12、點(diǎn):單端輸入、單端輸出;輸入阻抗為200、輸出阻抗為50;3dB帶寬為500MHz;輸入端為零電平時(shí),輸出端電平為電源電壓的一半,且可調(diào);具有增益控制特性選擇和功耗關(guān)斷控制功能;片上集成了律方根檢波器,可以實(shí)現(xiàn)單片AGC應(yīng)用;增益控制特性以dB成線性;可以通過(guò)外部電容將工作頻率擴(kuò)展到任意低頻.2 工作原理AD8367的功能框圖如圖1所示,該芯片主要由可變衰減器、固定增益放大器和律方根檢波器組成.它的輸入級(jí)是總衰減量為45dB的可變衰減器,其中包含一個(gè)200單端梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)高斯內(nèi)插器.該電阻網(wǎng)絡(luò)由每級(jí)衰減量為5dB的9級(jí)衰減網(wǎng)絡(luò)組成,并可由高斯內(nèi)插器選擇衰減因子,每級(jí)梯形網(wǎng)絡(luò)以固定的分貝數(shù)

13、衰減輸入信號(hào).當(dāng)衰減量不是5dB的整數(shù)倍時(shí),在控制電壓的作用下,相鄰兩個(gè)衰減節(jié)點(diǎn)均會(huì)導(dǎo)通,通過(guò)離散節(jié)點(diǎn)衰減的加權(quán)平均值來(lái)獲得與控制電壓相對(duì)應(yīng)的衰減量,并以這種方式獲得平滑、單調(diào)的衰減特性.它在大于40dB的增益控制范圍內(nèi),工作頻率為200MHz時(shí),可提供優(yōu)于±0.5dB的線性誤差,而在400MHz時(shí)可提供優(yōu)于±1dB的線性誤差.緊跟衰減器的是固定增益放大器,該放大器主要用于保證AD8367具有42.5dB的增益和500MHz的帶寬,它實(shí)際上是一個(gè)具有100 GHz增益帶寬積的運(yùn)算放大器,因此,當(dāng)其工作在高頻時(shí),仍具有良好的線性度.AD8367在輸出端集成了一個(gè)律方根檢波器,

14、可檢測(cè)輸出信號(hào)電平并與內(nèi)部設(shè)置的354mVrms電平(對(duì)應(yīng)于1Vp-p的正弦波)相比較.當(dāng)輸出電平超過(guò)內(nèi)部設(shè)置電平時(shí),將產(chǎn)生一個(gè)差值電流.用接在DETO腳和地之間的外部電容CAGC(包括5pF的內(nèi)建電容)對(duì)該電流進(jìn)行積分可產(chǎn)生與接收信號(hào)強(qiáng)度成比例的RSSI電壓,這樣,在AGC應(yīng)用時(shí),該電壓可以用作AGC控制電壓.AD8367最適合工作在200阻抗系統(tǒng),并可通過(guò)電阻或電抗無(wú)源網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)與其它通用阻抗系統(tǒng)(從射頻系統(tǒng)的50到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的1k)的轉(zhuǎn)換.一般情況下,轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)選擇取決于特殊的系統(tǒng)要求,如帶寬、回?fù)p、噪聲系數(shù)和絕對(duì)增益范圍等.AD8367內(nèi)含無(wú)源可變衰減器和固定增益放大器,其電路噪聲

15、和失真性能均是增益和控制電壓的函數(shù),且輸入折合噪聲隨衰減量成比例增加.電路在最大增益時(shí)具有最小為7.5 dB的噪聲系數(shù),增益每降低1dB,噪聲系數(shù)增加1dB.在接收系統(tǒng)中,如果接收到的信號(hào)很弱,則會(huì)有最大增益和最小噪聲系數(shù);而當(dāng)接收到的信號(hào)電平較高時(shí),系統(tǒng)將具有較低的增益和較大的噪聲系數(shù).因此,電路噪聲系數(shù)隨增益的變化不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成明顯的影響.電路的失真性能與噪聲性能相類似.當(dāng)AD8367工作在200源阻抗系統(tǒng)時(shí),它的輸出級(jí)是一個(gè)低輸出阻抗電壓緩沖器,此時(shí)具有50阻尼電阻,可以降低對(duì)負(fù)載電抗和寄生參數(shù)的敏感性.致謝通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用開發(fā)有了進(jìn)一步的了解，對(duì)程序設(shè)計(jì)感謝所有幫助和支持過(guò)我們的老