電子大賽設(shè)計報告

LC諧振放大器〔D題）摘要本設(shè)計由衰減電路、小信號放大電路、穩(wěn)壓電路三個功能模塊組成。衰減電路采用集成芯片小信號放大電路采用變壓器TRF1445反饋式LC振蕩電路實現(xiàn)信號選頻，產(chǎn)生標準的15MHz的信號源，運用S9018三極管實現(xiàn)高頻小信號的60dB放大。穩(wěn)壓電路是以三端可調(diào)式穩(wěn)壓器LM317為主體的可調(diào)的穩(wěn)壓器。經(jīng)測試，整機功能齊全，輸出信號幾乎不失真，功耗低等各項性能指標到達指標要求。關(guān)鍵詞：LC振蕩，高頻小信號，三極管放大系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計任務與要求任務：設(shè)計并制作一個LC諧振放大器。要求：設(shè)計并制作一個低壓、低功耗的LC諧振放大器，為便于測試，在放大器輸入端插入一個40dB的衰減器。電路框圖見圖0?！矆D1〕基本要求衰減指標：衰減量40dB±2dB，特性阻抗50Q，頻帶與放大器相適應。放大器指標：諧振頻率：f0=15MHz；允許偏差土100KHz；增益：不小于60dB；-3dBD帶寬：2V.7=300KHz；帶內(nèi)波動不大2dB；輸入電阻：Rn=50Q；失真：負載電阻為200Q，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360mV，盡可能減小功耗。系統(tǒng)設(shè)計方案〔1〕高頻小信號放大設(shè)計方案采用集成運算放大器芯片級聯(lián)構(gòu)成。集成運放芯片使用簡單，精度高，但是采用這種方案，很容易超過題目要求的360mWd的要求，并且通常此類集成電路都難以直接驅(qū)動200Q的負載?！?〕高頻小信號放大設(shè)計方案2采用電容三點式對稱選頻網(wǎng)絡和分立元件，利用高頻三極管或場效應管差分對構(gòu)成多級放大電路，末級采用大功率器件來保證輸出功率，通過負反饋電路來確定增益。該方案可實現(xiàn)的放大器工作頻率高、和高增益的要求但其電路比較復雜。且零點漂移嚴重，難以實現(xiàn)直流信號的放大。此外，由于電路采用了多級放大，其穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象?！?〕高頻小信號放大設(shè)計方案3采用變壓器振蕩電路與三級管的結(jié)合，實現(xiàn)選頻和信號放大，采用變壓器反饋

式LC振蕩電路，通過L的抽頭與電源正端相連，從而有利于實現(xiàn)阻抗匹配，并且該諧振電路Q值高，選頻性能好，即使電流有失真，輸出電壓也基本為正弦形。錯誤分析經(jīng)過研究，直接否認方案一，根據(jù)方案二設(shè)計出如下所示電路圖2。m.*3R4icon：ciionF圖2方案二電路圖m.*3R4icon：ciionF圖2方案二電路圖經(jīng)過仿真，選頻特性良好，在-3dB帶寬時頻率可以保持在500KHz內(nèi)波動，經(jīng)過三級放大后可以帶到80dB左右的增益，但是做出實物電路圖以后，效果與仿真相差很大，經(jīng)過認真分析，得出在高頻信號下，電容和電感有較大的阻抗，導致信號出現(xiàn)較大的衰減，而且零點漂移嚴重，此外，由于電路采用了多級放大，其穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象，干擾信號嚴重，直接淹沒了待放大信號。所以方案二也不能實現(xiàn)，被否認，最終選擇方案三作為設(shè)計方案。4.3.6V穩(wěn)壓電路設(shè)計使用一片LM317穩(wěn)壓器構(gòu)成可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓電路，這類穩(wěn)壓電路是依靠外接電阻來調(diào)節(jié)輸出電壓的，為保證輸出電壓的精度和穩(wěn)定性，要選擇精度高的電阻，同時電阻要緊靠穩(wěn)壓器，防止輸出電流在連線電阻上產(chǎn)生誤差電壓。圖a為由LM317組成的輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電路仿真圖，圖b為仿真調(diào)試到3.6V。電路中的R1=〔120?240〕Q，為保證空載情況下輸出的電壓穩(wěn)定，R1不宜超過240Q。R2的大小根據(jù)輸出電壓調(diào)節(jié)范圍確定，該電路輸入電壓為12v，則輸出

電壓范圍為1.2V?10V。圖3穩(wěn)壓電源 圖4調(diào)試結(jié)果5.衰減器設(shè)計根據(jù)題意，衰減網(wǎng)絡需要衰減40dB，依據(jù)公式20lgAM=40得AM=100，即輸入信號的幅度減小100倍，由此可搭接衰減網(wǎng)絡，為了保證后一級的輸入電阻為50Q，及衰減網(wǎng)絡本身輸出電阻為50Q。R1,R2,R3三個電阻的阻值分別為51Q，51Q，2.5kQ。衰減網(wǎng)絡如圖c所示，信號經(jīng)過衰減網(wǎng)絡時可以滿足題目中衰減40db的要求。我們在衰減器后加上了信號屏蔽線，以防止信號的干擾。由于直插式電阻的噪聲、溫飄等原因，波形出現(xiàn)一定程度上的失真，衰減的高頻小信號可能極容易被周圍的干擾信號干擾而檢測不到。所以在測試時應盡量防止和其他干擾源一起測試，保持一個良好安靜的測試環(huán)境。R251n:illR251n:ill圖5由精密電阻搭接的衰減網(wǎng)絡6.小信號放大電路設(shè)計根據(jù)方案三的設(shè)想，使用三極管級聯(lián)放大，并且在每一級放大電路后面加一個變壓器振蕩選頻網(wǎng)絡，保證15MHz的中心頻點，具體電路圖如下?！?.6VL：8R15VCL：C5w47.4fF■HJkUHe-ii=AlUkU10I。C4；47.4fFL：6：47.4fFok—2.6VL：8R15VCL：C5w47.4fF■HJkUHe-ii=AlUkU10I。C4；47.4fFL：6：47.4fFok時館-VA-理論分析與計算電路為三級級聯(lián)的共發(fā)射極接法的LC諧振放大器。在高頻情況下，晶體管本身的極間電容及連接導線的分布參數(shù)等會影響放大器輸出信號的頻率和相位。晶體管的靜態(tài)工作點由電阻RB1，RB2及RE決定，其計算方法與低頻單管放大器相同。LC諧振放大器的典型特性曲線，矩形系數(shù)Kr0.1=2Af0.1/2Af0.7Av,;Av^Av,;Av^圖7單級放大器在高頻情況下的等效電路如圖1-2所示，晶體管的4個y參數(shù)％，吃，以及"分別為輸入導納輸出導納yoeWbbjWCbe1+rg+jwcbbbeT+be輸入導納輸出導納yoeWbbjWCbe1+rg+jwcbbbeT+bejwcbefe正向傳輸導納0b'ejwcbe反向傳輸導納yre—/jwc4 ble'g+jwcbbbe、⑴〔2〕〔3〕〔4〕圖8圖8放大器的單級高頻等效回路圖8中所示的等效電路中，〃1為晶體管的集電極接入系數(shù)，即式中，N3為副邊〔次級〕的總匝數(shù)。gL為調(diào)諧放大器輸出負載的電導，gL=1'RL。通常小信號調(diào)諧放大器的下ie2一級仍為晶體管調(diào)諧放大器，則gL將是下一級晶體管的輸入導納ie2由圖？？可見，并聯(lián)諧振回路的總電導g￡的表達式為1〔5〕g￡=p2goe+p2g2+Jwc+JWL〔5〕1=p2goe+p2gL+Jwc+JWL+G式中，G為LC回路本身的損耗電導。諧振時L和C的并聯(lián)回路呈純阻，其阻值等于1/G，并聯(lián)諧振電抗為無限大，則jwC與1/〔jwL〕的影響可以忽略。1.電壓放大倍數(shù)放大器的諧振回路諧振時，所對應的電壓放大倍數(shù)氣稱為調(diào)諧放大器的電壓放大倍數(shù)。單級氣。的表達式為4u—ppy—ppyA=——0= 1_2_fe= 1_2_f V0 u g p2g+p2g+Gi ￡ 1oe2ie經(jīng)計算得：（Av。""Iyfe1/2*（go1*gi2）0'5=88-7式中，g￡為諧振回路諧振時的總電導。因為LC并聯(lián)回路在諧振點時的L和C的并聯(lián)電抗為無限大，因此可以忽略其電導。但要注意的是〉/"。本身也是

個復數(shù)，所以諧振時輸出電壓U0與輸入電壓U相位差為〔180。+n佐〕。則三級級聯(lián)增益為：A=A*A*A=697864.103 〔7〕mvovovo2.通頻帶由于諧振回路的選頻作用，當工作頻率偏離諧振頻率時，放大器的電壓放大倍數(shù)下降，習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倍時所對應的頻率偏移稱為放大器的通頻帶BW，其表達式為BW=2W°7=fjQl式中，QL為諧振回路的有載品質(zhì)因數(shù)。代值計算得：BW=BW=2Af0.7=308.3kHz分析說明，放大器的諧振電壓放大倍數(shù)Avo與通頻帶BW的關(guān)系為A?BW=九 〔9〕三級級聯(lián)通頻帶為：(2Af0.7)3=(21/3-1)0.52Af0.7=163.399kHzo〔4〕選擇性一一矩形系數(shù)調(diào)諧放大器的選擇性可用諧振曲線的矩形系數(shù)K時來表示，如圖7所示的v0.1諧振曲線，矩形系數(shù)K01為電壓放大倍數(shù)下降到0.1氣時對應的頻率偏移與電壓放大倍數(shù)下降到0.707Avo時對應的頻率偏移之比，即〔10〕Kv0.1=2Af0^■■'2Af07=2Af0〔10〕上式說明，矩形系數(shù)K越小，諧振曲線的形狀越接近矩形，選擇性越好，v0.1反之亦然。一般單級調(diào)諧放大器的選擇性較差〔矩形系數(shù)K遠大于1〕，為提v0.1高放大器的選擇性，通常采用多級單調(diào)諧回路的諧振放大器。該三級矩陣系數(shù)：KR01=(2Af01)3/(2Af07)=[(1001/3-1)/(21/3-1)]1/2=4.2 〔11〕輸出最大不失真電壓及功耗輸出最大不失真電壓：為了得到最大動態(tài)范圍，應將靜態(tài)工作點調(diào)在交流負載線的中點。為此在放大器正常工作情況下，逐步增大輸入信號的幅度，并同時調(diào)節(jié)RW〔改變靜態(tài)工作點〕，用示波器觀察U0，當輸出波形同時出現(xiàn)削底和縮

頂現(xiàn)象時，說明靜態(tài)工作點已調(diào)在交流負載線的中點。然后反復調(diào)整輸入信號，使波形輸出幅度最大，且無明顯失真時，用交流毫伏表測出U0〔有效值〕，則動態(tài)范圍等于?；蛴檬静ㄆ髦苯幼x出UOPP來。晶體管的靜態(tài)工作點：Uom=min{VCC-UCEQ,UCEQ}//2輸出最大不失真功率：P=（最大輸出電壓峰值川2）*（最大輸出電壓峰值川2）/負載電阻系統(tǒng)測試：1、 測試條件環(huán)境溫度25°C，電源電壓220V市電〔加到自制3.6V穩(wěn)壓電源上〕。2、 測試儀器和附件儀器：函數(shù)信號發(fā)生器數(shù)字示波器掃頻儀3、 測試方法采用信號發(fā)生器、示波器、、掃頻儀及必要的部件進行幅頻特性測量。4、 測試結(jié)果與分析帶寬測試用掃頻儀測量放大器的中心頻率及其增益，并測試在-3dB增益下的帶寬。參考文獻：高等教育出版社北京航空航天大學出版社北京航空航天大學出版社北京航空航天大學出版社高等教育出版社高等教育出版社北京航空航天大學出版社北京航空航天大學出版社北京航空