LC諧振功率放大器的設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上LC 諧振放大器（D 題）【本科組】摘要：該LC諧振放大器大體由電源電路，衰減電路以及主要的LC諧振放大電路三部分組成。其電源電路部分采用直流穩(wěn)壓的技術(shù)輸出穩(wěn)定的3.6V電壓，為諧振放大電路提供電源；再采用高精度的電阻拼接形成40dB的固定衰減器在放大器的輸入端插入以便于測(cè)試；LC諧振放大電路是基于高頻放大合成技術(shù)，這部分的制作利用了相關(guān)電路為輔助工具來(lái)調(diào)試放大電路， 解決了放大電路中經(jīng)常出現(xiàn)的自激振蕩問(wèn)題，難以準(zhǔn)確的調(diào)諧問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)放大器與前后級(jí)的阻抗匹配問(wèn)題。同時(shí)也給出了具體的理論依據(jù)和調(diào)試方案， 從而實(shí)現(xiàn)了快速、有效的分析和制作高頻放大器。多次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了方法

2、的有效性。從而使LC諧振放大器到達(dá)低壓，低功耗的設(shè)計(jì)要求.關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓電源，衰減，LC諧振放大，自激振蕩，阻抗匹配目錄1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)要求1.1.1任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)LC 諧振放大器1.1.2要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)低壓、低功耗LC 諧振放大器；為便于測(cè)試，在放大器的輸入端插入一個(gè)40dB 固定衰減器。電路框圖見(jiàn)圖1圖1 電路框圖基本要求（1）衰減器指標(biāo)：衰減量40±2dB，特性阻抗50，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±100kHz；b） 增益：不小于60dB；c）3dB 帶寬：2f0.7 =300kHz；帶內(nèi)波動(dòng)不大于2

3、dB；d） 輸入電阻：=50；e） 失真：負(fù)載電阻為200，輸出電壓1V 時(shí)，波形無(wú)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(guò)360mW，盡可能減小功耗。 1.1.3 說(shuō)明 （1）圖2是LC 諧振放大器的典型特性曲線，矩形系數(shù)Kr0.1= 。圖2 諧振放大器幅頻特性示意圖（2）放大器幅頻特性應(yīng)在衰減器輸入端信號(hào)小于5mV 時(shí)測(cè)試（這時(shí)諧振放大器的輸入Vi<50V）。所有項(xiàng)目均在放大器輸出接200 負(fù)載電阻條件下測(cè)量。（3）功耗的測(cè)試：應(yīng)在輸出電壓為1V 時(shí)測(cè)量。（4）文中所有電壓值均為有效值。 1.2 設(shè)計(jì)的總體方案 1.2.1設(shè)計(jì)思路 題目要求設(shè)計(jì)一個(gè)

4、LC諧振放大器。設(shè)計(jì)分為電源電路，衰減電路以及主要的諧振放大電路。電源部分采用直流穩(wěn)壓的技術(shù)輸出穩(wěn)定的電源電壓；衰減部分采用高精度的電阻拼接組成一個(gè)40dB的固定衰減器插入到放大器的輸入端，方便于測(cè)試；諧振放大電路以晶體管為核心，以 LC諧振回路作為晶體管的負(fù)載起到選頻濾波以及阻抗匹配的作用。但要注意的是放大電路是由輸入信號(hào)的頻帶來(lái)確定，為了不放大地失真，要求放大電路的通頻帶應(yīng)大于信號(hào)的頻帶。為了盡量地使LC諧振放大器達(dá)到低壓、低功耗，必須采取有效的措施。1.2.2 方案的論證與比較（1）衰減模塊的方案論證與選擇方案一：采用特定的輸入阻抗。將特定阻抗高的通過(guò)在輸入端簡(jiǎn)單的串聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信

5、號(hào)的衰減，如圖 3所示，R用來(lái)衰減進(jìn)入設(shè)備的信號(hào)電壓，但是它導(dǎo)致從源端看進(jìn)去的輸入阻抗為圖3 簡(jiǎn)單的衰減器方案二；電路在不改變等效阻抗的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)電壓的衰減，圖中增加的兩個(gè)電阻可以保持等效電阻不變。其電路設(shè)計(jì)如圖4所示圖4 T型網(wǎng)絡(luò)衰減器方案的選擇：根據(jù)電路的分析，方案一的方法會(huì)讓你容易會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的不匹配，而方案二的電路可以在不改變等效阻抗的前提下就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)電壓的衰減，這種方法的衰減效果既好又可以達(dá)到題目要求。故本系統(tǒng)選用方案二。（2）諧振放大模塊的方案論證與選擇方案一：制作一個(gè)直流穩(wěn)壓電源電路為諧振放大電路提供電源，用低頻放大實(shí)現(xiàn)電路的放大，高效率的輸出，從而完成放大器的制作。方

6、案二：同樣利用直流穩(wěn)壓電源電路為諧振放大電路提供電源，利用LC振蕩電路為輔助，來(lái)消除放大器的自激振蕩和實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地頻率選擇，另加一些輔助電路，實(shí)現(xiàn)放大器的一些阻抗問(wèn)題。方案的選擇：由于低頻功放的負(fù)載不能采用調(diào)諧負(fù)載，而要用電阻，變壓器等非調(diào)諧負(fù)載。而高頻功放的工作頻率很高，可由幾百千赫到幾百兆赫，甚至幾萬(wàn)兆赫，同時(shí)，在高頻電路中利用LC振蕩電路為輔助，還可以消除放大器的自激振蕩和實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的頻率選擇。因此應(yīng)該選擇方案二的選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載，實(shí)現(xiàn)諧振功率放大器。2、單元電路設(shè)計(jì) 2.1 電源電路的設(shè)計(jì) 該電源電路為諧振放大器的制作提供了電源，為諧振的放大提供了基礎(chǔ)。其電路設(shè)計(jì)如圖5所示圖5從電路中可以

7、看到，78055的輸入輸出端都接有電容，而且是一大一小，大容量電容是低頻濾波作用，小容量電容是高頻濾波用；然后在電路中加入穩(wěn)壓二極管使5V的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.6V電壓。其該電源電路抗干擾性能好，穩(wěn)壓精度高，響應(yīng)快，電路簡(jiǎn)單，工作可靠。2.2 衰減電路設(shè)計(jì)衰減電路的設(shè)計(jì)為諧振放大的測(cè)試提供了方便，同時(shí)為了達(dá)到3dB要求帶寬，特性阻抗保持50歐，設(shè)計(jì)電路圖采用精密電阻，以便有效提高衰減量精確度及減少溫漂影響。 根據(jù)電路分析，不改變等效阻抗的前提下就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)電壓的衰減，其理論的計(jì)算及分析如下：設(shè)輸入電阻等于,則可得 （1）又根據(jù)電路輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系可得 （2）聯(lián)立方程（1）和（2），可解得

8、和2.3 諧振放大電路設(shè)計(jì)2.3.1 高頻LC諧振放大器的原理電路圖諧振放大器的基本框圖上圖是一個(gè)采用晶體管的高頻功率放大器的原理線路。除電源和偏置電路外，它是由晶體管，諧振回路和輸入回路三部分組成。高頻功放中常采用平面工藝制造的NPN高頻大功率晶體管，它能承受高電壓和大電流，并有較高的特征頻率。晶體管作為一個(gè)電流控制器件，它在較小的激勵(lì)信號(hào)電壓作用下，形成基極電流iB，iB控制了較大的集電極電流iC，iC流過(guò)諧振回路產(chǎn)生高頻功率輸出，從而完成了把電源的直流功率轉(zhuǎn)換為高頻功率的任務(wù)。為了使高頻功放以高效輸出大功率，常選在丙類狀態(tài)下工作，為了保證在丙類工作，基極偏置電壓應(yīng)使晶體管工作在截止區(qū)，一

9、般為負(fù)值，即靜態(tài)時(shí)發(fā)射結(jié)為反偏。此時(shí)輸入激勵(lì)信號(hào)應(yīng)為大信號(hào)，一般在0.5V以上，可達(dá)1到2V，甚至更大。 晶體管的作用是將供電電源的直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康倪^(guò)程中起開(kāi)關(guān)控制作用。線路特點(diǎn)：(1) LC諧振回路作為晶體管的負(fù)載起到選頻濾波以及阻抗匹配的作用。(2)電路工作在丙類工作狀態(tài)以保證電路效率較高；基極負(fù)偏壓（或零偏壓）。關(guān)系式：(1)外部電路關(guān)系式：(2)晶體管的內(nèi)部特性: (3)（半）導(dǎo)通角：根據(jù)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線可得：即集電極的導(dǎo)通角是由輸入回路決定的。必須強(qiáng)調(diào)指出：集電極電流ic雖然是脈沖狀，但由于諧振回路的這種濾波作用，仍然能得到正弦波形的輸出。2.3.2高頻功率放大器的特性曲

10、線放大器的特性曲線圖 功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號(hào)來(lái)控制集電極的直流電源所供給的直流功率，使之一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘?hào)功率輸出去，另一部分功率以熱能形式消耗在集電極上，成為集電極耗散功率。根據(jù)能量守衡定理： 直流功率: 輸出交流功率：-回路兩端的基頻電壓 -基頻電流 -回路的負(fù)載阻抗 圖解分析法的步驟： (1)測(cè)出晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線及輸出特性曲線，并將這兩組曲線折線化處理；(2)作出不同工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性曲線；(3)根據(jù)激勵(lì)電壓的大小在特性曲線上畫出對(duì)應(yīng)輸出電壓和電流脈沖的波形；(4)分析功放的外部特性，即分析放大器的外部供電電壓或負(fù)載的變化將如何影響輸出電壓、輸出電流、輸出功率

11、、效率等指標(biāo)的。晶體管的特性曲線及其特性方程：由圖可見(jiàn)，在放大區(qū)，有轉(zhuǎn)移特性方程：所以，集電極電流隨激勵(lì)而正向變化。在飽和區(qū)，集電極電流只受集電極電壓的控制，而與基極電壓無(wú)關(guān)。因此有臨界線方程：在截止區(qū)，有方程： (當(dāng) 時(shí))諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)特性曲線（負(fù)載線）高頻放大器的工作狀態(tài)是由負(fù)載阻抗、激勵(lì)電壓、供電電壓等4個(gè)參量決定的。如果, 3個(gè)參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻決定。此時(shí)，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨而變化的特性，就叫做放大器的負(fù)載特性。所謂動(dòng)態(tài)特性是和靜態(tài)特性相對(duì)應(yīng)而言的，在考慮了負(fù)載的反作用后，所獲得的 的關(guān)系曲線就叫做動(dòng)態(tài)特性。2.3.3 高頻功率放大器的

12、外部特性 高頻放大器的負(fù)載阻抗、激勵(lì)電壓、供電電壓、4個(gè)外部變量會(huì)影響放大器的工作狀態(tài)、功率及效率等。2.3.4 技術(shù)指標(biāo)(1) 電壓增益: (2) 通頻帶BW:(3 ) 選擇性矩形系數(shù): = 。2.3.5 諧振放大器的質(zhì)量指標(biāo)（1）增益(放大系數(shù))放大器的電壓咱益下降到最大值的O.707 倍時(shí)，所對(duì)應(yīng)的頻率稱為放大器的通頻帶電壓增益： 分貝表示 (2 )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。故習(xí)慣上稱電壓放大倍數(shù)下降到諧振放大電亞放大倍數(shù)的O.707倍時(shí)，一般用 表示其數(shù)學(xué)表達(dá)式為QL:為回路的等效品質(zhì)因數(shù)（3） 選擇性選擇性是指放大器從含有件種

13、不同頻率的信號(hào)總和(有用的和有害的)中選出有用信號(hào)， 排除有害( 干擾)信號(hào)的能力。及選擇性指標(biāo)是針對(duì)抑制干擾而言的。一般是用諧振曲線的矩形系數(shù)KrO.1 來(lái)表示。 矩形系數(shù)矩形系數(shù)是指電壓放大倍數(shù)下降到諧振電壓放大倍數(shù)Avo的O.1倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍與電壓放大器倍數(shù)下降到O.707Avo時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率偏移之比。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為KrO.1=按理想情況，諧振曲線應(yīng)為一矩形為了表示實(shí)際曲線接近理扭曲線的程度，引入“矩形系數(shù)”，它表示對(duì)鄰道干擾的抑制能力2fO.1, 2f0.01分別為放大倍數(shù)下降至O.1 和0.01處的帶寬， Kr愈接近于l越好。矩形系數(shù)KrO.1 愈接近1則實(shí)際曲線愈接近理想矩形，

14、鄰近波道選擇性愈好， 濾除鄰近波道干擾信號(hào)的能力愈強(qiáng)。但單調(diào)諧回路放大器的矩形系數(shù)遠(yuǎn)大于1 ， 這是單調(diào)諧回路放大器的缺點(diǎn)。故實(shí)際工程應(yīng)用中，通采用多級(jí)諧振放大端。抑制比表示對(duì)某個(gè)干擾信號(hào)fn的抑制能力，用dn表示的為干擾信號(hào)的放大倍數(shù)，Av0為諧振點(diǎn)fO的放大倍數(shù)3、系統(tǒng)測(cè)試3.1 測(cè)試主要儀器 a、VC9805A萬(wàn)用表b、SDS1022C數(shù)字示波器c.SP1641B函數(shù)信號(hào)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器3.2 測(cè)試的主要方法（1）部分的測(cè)試方法對(duì)各個(gè)電路進(jìn)行測(cè)試，達(dá)到要求后拼接在一起（2）整體的測(cè)試方法將各模塊電路連起來(lái)，整機(jī)調(diào)試，并測(cè)量該系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。3.3 測(cè)試結(jié)果及分析 根據(jù)測(cè)試得出下列結(jié)果（

15、1）無(wú)負(fù)載時(shí)測(cè)試將輸入為220V的直流變壓器用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試輸出12V交流，經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓之后得出3.6V的直流電源。4、結(jié)論 通過(guò)對(duì)實(shí)際電路的分析，結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)，并利用其它電路作為輔助，提出了一種制作寫真了放大器的有效方法，解決了再制作高頻放大器時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的自激振蕩，頻率難以確定以及電路中各級(jí)間阻抗不匹配問(wèn)題。5、心得體會(huì)這次電路設(shè)計(jì)主要是對(duì)諧振放大電路這部分知識(shí)的應(yīng)用。通過(guò)設(shè)計(jì)高頻放大器，進(jìn)一步將理論轉(zhuǎn)化成實(shí)踐，并在實(shí)踐中檢驗(yàn)理論。本次的設(shè)計(jì)，是設(shè)計(jì)一個(gè)丙類諧振功率放大器。通過(guò)分析最大輸出功率與輸出阻抗的關(guān)系從而確定匹配網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而確定電路中的參數(shù)，從而設(shè)計(jì)出丙類諧振放大器的電路圖。在設(shè)計(jì)完

16、電路之后，再用示波器去仿真設(shè)計(jì)完的電路，通過(guò)觀察輸出的電壓的波形與幅值進(jìn)一步求出輸出功率，驗(yàn)證是否與理論值相一致。通過(guò)觀察不同輸出電阻時(shí)的輸出功率，來(lái)了解輸出電阻對(duì)輸出功率的影響，并驗(yàn)證理論當(dāng)中輸出負(fù)載對(duì)輸出功率的影響。電路設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，是發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問(wèn)題、鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。這次的電路設(shè)計(jì)，加深了我對(duì)電子電路理論知識(shí)的理解，并鍛煉了實(shí)踐動(dòng)手能力，具備了高頻電子電路的基本設(shè)計(jì)能力和基本調(diào)試能力 。 這次的電路設(shè)計(jì)我感慨頗多。的確，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，不僅可以鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有

17、學(xué)到過(guò)的知識(shí)。通過(guò)這次電路設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正學(xué)到屬于自己的知識(shí)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到的問(wèn)題，可以說(shuō)得是多如牛毛，因?yàn)榛A(chǔ)不牢固，再加上缺乏實(shí)際設(shè)計(jì)及動(dòng)手的經(jīng)驗(yàn)，所以難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我也發(fā)現(xiàn)了自己的很多的不足之處，比如說(shuō)發(fā)現(xiàn)自己對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。不過(guò)，這次實(shí)驗(yàn)的最大收獲就是鍛煉了我獨(dú)立思考的能力，由于參數(shù)的計(jì)算有點(diǎn)復(fù)雜，需要自己獨(dú)立思考各個(gè)參數(shù)的意義和各個(gè)參數(shù)之間的聯(lián)系，這就要求我

18、在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須認(rèn)真思考，絕不能馬虎，否則，算出來(lái)的可能就是錯(cuò)誤答案。而參數(shù)不對(duì)，最終將直接影響到仿真的結(jié)果。 雖然我現(xiàn)在已經(jīng)初步學(xué)會(huì)了如何設(shè)計(jì)符合要求的高頻諧振功率放大器，但是離真正能夠利用已學(xué)的知識(shí)自由設(shè)計(jì)使用電路的還有一段的距離。設(shè)計(jì)的這段時(shí)間我確實(shí)受益匪淺，不僅是因?yàn)樗l(fā)生在特別的實(shí)踐，更重要的是我的專業(yè)知識(shí)又有了很大的進(jìn)步，因?yàn)檫M(jìn)步總是讓人快樂(lè)的。參考文獻(xiàn)1. 謝嘉奎.高頻電子線路M(第二版).北京：高等教育出版社，19842.武秀玲，沈偉慈.高頻電子線路M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，19953. 張肅文等.高頻電子線路M(第四版).北京：高等教育出版社，20044. 路而紅等.虛擬電子實(shí)驗(yàn)室M.北京：人民郵電出版社，20065 清華大學(xué)通信教研組.高頻電路M.北京：人民郵電出版社，19796.吳運(yùn)昌.模擬集成電路原理與應(yīng)用M.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2001年第一版7.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).第五屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)