LC諧振放大器(李軍組)

1、LC 諧振放大器（D 題）摘 要本作品設(shè)計(jì)了一種低電壓工作的低功耗LC 諧振放大器，該放大器由60dB 衰減器、匹配網(wǎng)絡(luò)、多級(jí)級(jí)聯(lián)小信號(hào)諧振放大器、寬帶功率放大器和AGC 電路組成。為降低功耗、提高電路工作穩(wěn)定性，改善幅頻響應(yīng)，系統(tǒng)采用了場(chǎng)效應(yīng)管共源-共柵多級(jí)級(jí)聯(lián)諧振放大電路，通過參差調(diào)諧方式，較好地解決了帶寬與增益的矛盾，減小了矩形系數(shù)。采用反饋分流式多級(jí)AGC 實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)增益控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)在工作頻率15MHz ，帶寬300KHz 條件下，增益可達(dá)107.6dB ，矩形系數(shù)小于2，AGC 控制范圍大于50dB ，滿足所有設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。1 系統(tǒng)方案論證本設(shè)計(jì)要求在低電壓（

2、3.6V ）電源供電的前提下，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種增益不低于80dB 的高頻LC 諧振放大器，在保證帶寬及輸出電壓指標(biāo)的基礎(chǔ)上，盡可能提高增益，優(yōu)化幅頻特性，減小失真，降低功耗。其系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)總體框圖1.1 放大器的選擇方案一：采用低壓寬帶集成運(yùn)算放大器。優(yōu)點(diǎn)是集成度高，外圍電路較易設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)是功耗大，難滿足題目要求。方案二：采用晶體三極管放大器。優(yōu)點(diǎn)是功耗較低，電路成熟，缺點(diǎn)是噪聲較大和輸入輸出電阻較低，影響Q 值和矩形系數(shù)。方案三：采用場(chǎng)效應(yīng)管放大器。優(yōu)點(diǎn)是功耗低、噪聲小，輸入輸出阻抗高。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)放大器高增益和低功耗的要求，選擇方案三。通過構(gòu)建共源-共柵多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器，在

3、保證電路穩(wěn)定性的前提下，盡可能提高增益；其較高的輸入輸出阻抗，也能進(jìn)一步減小對(duì)LC 負(fù)載回路的影響，提高回路選擇性。依據(jù)200負(fù)載電阻的測(cè)試要求，在多級(jí)級(jí)聯(lián)放大電路之后設(shè)計(jì)了一級(jí)甲類諧振功率放大器，以提高放大器帶負(fù)載的能力。1.2 AGC 電路的選擇方案一：采用柵極電壓反饋式AGC 。優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，控制范圍大；缺點(diǎn)是對(duì)接入柵極的LC 諧振回路影響較大，易使系統(tǒng)幅頻特性發(fā)生改變。方案二：采用反饋分流式AGC 。采用反饋電壓控制三極管導(dǎo)通電流，從而改變共源-共柵放大器幅度，且不對(duì)LC 諧振回路產(chǎn)生影響。經(jīng)綜合比較，選擇方案二。為了達(dá)到更大的增益控制范圍，采用多級(jí)級(jí)聯(lián)式AGC ，以盡可能寬的控制諧

4、振放大器工作范圍。1.3 系統(tǒng)工作描述本系統(tǒng)的基本工作過程如下：輸入信號(hào)經(jīng)60dB 衰減（含探頭20dB 衰減），送多級(jí)級(jí)聯(lián)LC 諧振放大器放大，各級(jí)共源-共柵諧振放大器組成參差調(diào)諧放大電路（中心頻率15MHz 、帶寬300kHz ），以獲得較小的矩形系數(shù)，放大后的信號(hào)經(jīng)寬帶功率放大，達(dá)到輸出指標(biāo)要求。2 理論分析與計(jì)算2.1 增益分析根據(jù)指標(biāo)要求，系統(tǒng)整體增益欲達(dá)到80dB 以上，需采用多級(jí)級(jí)聯(lián)放大方式。由于共源-共柵放大器中共源電路的諧振電壓增益為011v fs fsA g g =故共柵電路電壓增益決定了該復(fù)合放大電路的增益，考慮到單級(jí)共源-共柵放大器諧振電壓增益較低，本設(shè)計(jì)采用了7級(jí)級(jí)聯(lián)

5、放大電路，每級(jí)放大器增益約15dB 左右。2.2 帶寬與矩形系數(shù)分析多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器帶寬與矩形系數(shù)可由下式計(jì)算 0.7(2 n Lf = 0.10.722r f K f =不難看出，級(jí)聯(lián)后放大器通頻帶將隨級(jí)數(shù)的增加而縮減，同時(shí)矩形系數(shù)隨級(jí)數(shù)增加改善有限，極限值2.56仍與理想矩形相差較大。本電路指標(biāo)要求放大器在15MHz 諧振頻率下，保證300kHz 帶寬和較小的矩形系數(shù)，帶內(nèi)維持較好的平坦度，因此，不宜采用多級(jí)相同參數(shù)放大器級(jí)聯(lián)的方式，而應(yīng)采用參差調(diào)諧的方案，如圖2所示。 f ）多級(jí)級(jí)聯(lián)幅頻特性 參差調(diào)諧幅頻特性圖2 幅頻特性對(duì)比示意圖2.3 AGC 電路分析反饋分流式AGC 對(duì)放大器的控制作

6、用相對(duì)較弱，但若采取級(jí)聯(lián)方式逐級(jí)控制，也可以獲得較好的增益控制效果。AGC 的主要質(zhì)量指標(biāo)是動(dòng)態(tài)范圍，包括輸入信號(hào)振幅或有效值V i 的動(dòng)態(tài)范圍、輸出信號(hào)振幅或有效值V O 的動(dòng)態(tài)范圍以及增益控制動(dòng)態(tài)范圍?，F(xiàn)分別定義如下：輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍：m ax m ini i i V M V =或m ax m in( 20lg(i i i V M dB dB V =輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍：m ax m ino o o V M V =或m ax m in( 20lg(o o o V M dB dB V =增益控制動(dòng)態(tài)范圍：m ax m in m in m in m ax m ax m inm ax m axm i

7、ni i i o i G oo o o i M V V A A M V V A =式中，m ax A 為系統(tǒng)最大增益，min A 為系統(tǒng)最小增益。動(dòng)態(tài)增益控制范圍常用dB 數(shù)表示：m ax m in( 20lg20lg(i G oM A A dB dB M A =根據(jù)指標(biāo)對(duì)AGC 控制范圍大于40dB 的要求，即可推算各級(jí)AGC 的控制范圍。 2.4 衰減器與匹配網(wǎng)絡(luò)分析衰減器可按40dB 要求構(gòu)成T 型網(wǎng)絡(luò)或型網(wǎng)絡(luò)，由于其特性阻抗為50，需要考慮與放大器之間的匹配問題。通過采用1:5高頻中周，并在次級(jí)諧振電路上并聯(lián)1.25k 電阻，達(dá)到阻抗匹配的目的。 圖3 衰減器與阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)3 電路設(shè)計(jì)

8、3.1 諧振放大電路設(shè)計(jì)各級(jí)諧振放大電路如圖4所示。采用7級(jí)參差調(diào)諧放大器，各級(jí)負(fù)載均為L(zhǎng)C 諧振回路，放大管與負(fù)載通過變壓器耦合連接，這樣既能減小回路損耗，同時(shí)也可以調(diào)節(jié)線圈匝數(shù)比確定每級(jí)的增益大小。各級(jí)供電均串入高頻扼流圈，防止高頻損耗和放大器自激。 圖4 單級(jí)共源-共柵LC 諧振放大器3.2 寬帶功率放大電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)在參差調(diào)諧放大器之后設(shè)置了一級(jí)寬帶功率放大電路，在滿足功耗指標(biāo)要求的前提下，提高了放大器帶負(fù)載的能力，滿足測(cè)試需求。寬帶功率放大器采用甲類放大方式，盡管負(fù)載回路仍采用LC 諧振回路，但由于200測(cè)試負(fù)載的接入，會(huì)大大降低回路Q 值，使得功率放大電路的頻帶遠(yuǎn)比前級(jí)諧振放大器寬

9、，所以可以視為寬帶放大器。同時(shí)較低的負(fù)載電阻也會(huì)降低放大器的增益，因此本級(jí)放大器增益并不高，電路如圖5所示。 圖5 甲類諧振功率放大器3.3 整體電路系統(tǒng)整體電路見附錄。4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1 測(cè)試儀器測(cè)試儀器：Tektronix TDS1012數(shù)字示波器、南京新聯(lián)EE1251數(shù)字化掃頻儀、石家莊數(shù)英SU3080合成信號(hào)發(fā)生器、勝利VC890數(shù)字萬用表。 4.2 測(cè)試方法與結(jié)果 1、基本部分指標(biāo)測(cè)量 （1）增益指標(biāo)改變輸入信號(hào)頻率，并保持5mV 電平不變。 （2）通頻帶、矩形系數(shù)及帶內(nèi)波動(dòng)指標(biāo)改變輸入信號(hào)頻率，并保持5mV 電平不變。通過數(shù)字化掃頻儀觀察放大器的幅頻特性曲線，記錄各觀測(cè)點(diǎn)

10、的相對(duì)電壓值。 （3）失真度指標(biāo)由于各級(jí)放大器均采用LC 諧振放大器，輸出電壓1V 時(shí)，無明顯失真。（4）功耗指標(biāo)輸出為1V ，輸出端接入200負(fù)載。 2、發(fā)揮部分指標(biāo)測(cè)量 （1）AGC 電路指標(biāo)探頭附加20dB 衰減，輸入15MHz 、5V 信號(hào)，使輸出飽和，測(cè)量此時(shí)AGC 控制直流電壓V K ；輸入15MHz 、5mV 信號(hào)，斷開AGC 采樣電路，測(cè)量輸出電壓，并計(jì)算增益G 1；外加AGC 控制直流電壓V K ，逐漸增加輸入信號(hào)幅度，當(dāng)輸出無明顯失真時(shí)，記錄此時(shí)輸入信號(hào)V in 和輸出信號(hào)V o ，并計(jì)算增益G 2；由此得到AGC 控制范圍G = G1- G 2。 3、測(cè)試結(jié)果分析通過對(duì)本

11、系統(tǒng)的測(cè)試，衰減器符合指標(biāo)要求，放大器工作中心頻率為15MHz ，最大諧振增益達(dá)到107.6dB ，帶寬為300kHz ，帶內(nèi)波動(dòng)1.5dB ，矩形系數(shù)達(dá)1.9，功耗200mW ，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到或超過發(fā)揮部分要求；AGC 電路能夠有效控制電路增益，控制范圍達(dá)50dB 。測(cè)試中，因受儀器精度的影響和其他因素，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)難免存在誤差，由于我們的工程經(jīng)驗(yàn)不足，系統(tǒng)還存在很多改進(jìn)空間。（正文完）參考文獻(xiàn)1 黃智偉. 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2006.2 張肅文高頻電子線路M北京：高等教育出版社，2004.3 謝自美電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試武漢：華中科技大學(xué)出版社，200