LC谐振放大器.doc

LC谐振放大器摘 要 LC谐振放大器是通信设备中常用的功能电路，它所放大的信号频率在数百千赫至数百兆赫。LC谐振放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大，从信号所含频谱来看，输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的。 LC谐振放大器的分类： 按元器件分为：晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器; 按频带分为：窄带放大器、宽带放大器; 按电路形式分为：单级放大器、多级放大器; 按负载性质分为：谐振放大器、非谐振放大器; 其中LC谐振放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是非常微弱的，这就需要用放大器将其放大。LC谐振放大器理论非常简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。本文以理论分析为依据，以实际制作为基础，用LC振荡电路为辅助，来消除高频放大器自激振荡和实现准确的。关键词：LC谐振、放大、选频、震荡目 录1 方案设计与论证 51.1衰减器的选择51.2 选频电路的选择51.3 LC谐振放大选型52 主要技术指标 6.1 电压增益 6.2放大器的通频带6.3放大器矩形系数6.4谐振频率63 电路设计7 3.1 T型电阻网络 7 3.2 LC并联谐振回路7 3.3LC谐振放大器电路图84 仿真调试8 4.1 仿真软件84.2测试方法84.3 衰减器仿真 84.4仿真电路图9 4.5谐振频率测试94.6 幅频特性图 105 设计总结106 实物调试记录解说 10 6.1 制作好的芯片 10 6.2 调试电压显示 117 参考文献 128 附录12 附1：部分元器件清单12附2：仪器设备清单 12附3：AD8367说明129 致谢151方案设计与论证 1.1衰减器的选择方案一：非线衰减网络，根据题目要求频带要与放大器相适应，则要求3dB带宽足够宽，特性阻抗保持50欧，这样时比较难达到的。方案二：电阻衰减网络，只要选取高精度的电阻，就可以提高衰减的精确度。1.2选频电路的选择：方案一：LC串联谐振回路根据LC谐振回路的特点可知：串联谐振在失谐时电抗大，谐振时电抗小，搭建的电路中需要以相位条件、选频、信号幅值等为原则；根据题目要求，要使电路的增益尽可能的大，但是在LC串联谐振选频网络中，在电路谐振时其增益会降到最小。方案二：LC并联谐振回路根据LC谐振回路的特点可知：并联谐振在失谐时电抗小，谐振时电抗大，搭建的电路中需要以相位条件、选频、信号幅值等为原则；根据题目要求，要使电路的增益尽可能的大，在LC并联谐振选频网络中，在电路谐振时其增益达到最大，达到谐振选频、增强的目的。 1.3、LC谐振放大选型 方案一： 简单的放大电路可以由三级管搭接的放大电路实现，为了满足增益为80dB的要求，可以采用多级放大电路实现。但是由于方案中采用较多的分离元件，电路复杂且工作点调整会比较难，在多级放大中考虑到相互间的影响且其稳定性较差。方案二：在输入信号较小的情况下，实现80dB的调节，本可以由一级放大实现，但是负载的接入会使放大倍数下降，所以考虑采用多级运放来实现电路的放大，而在运放实现的电路中反馈电阻的接入会使得整个电路的功率超出题目要求且带宽的控制也会比较的难把握。方案三：根据题目对带宽及功率和增益的要求，考虑用多级放大，但是不同级的放大器件的选取是不一样的，一级放大电路采用三级管来实现放大，同时选取LC并联电路来实现选频；二级放大中考虑直接选取可调增益的运放AD8367实现，其增益范围由加在增益控制接口的参考电压决定，增益可控范围为正负45dB,利用G(dB)=-45（Vc+1）dB进行计算。该方案的特点是电路集成度高，且AD8367芯片易于调试，工作稳定，抗干扰能力相对较强，故我们选择方案三作为LC震荡放大模块。小结：经过几番仔细的论证和比较，我们决定了本电路的主要模块方案如下： 衰减器：T型电阻网络 LC谐振回路：LC谐振回路并联 放大电路：选取方案三2.主要技术指标（1）电压增益.Avo （2）放大器的通频带 由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数下降，习惯上称电压放大倍数Av下降到谐振电压放大倍数Avo的0.707倍时所对应的频率范围称为放大器的通频带BW，其表达式为：式中，为谐振放大器的有载品质因素。由BW得表达式可知： 通频带越宽的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频带，同时又能提高放大倍数的电压增益，由式知，除了选用较大的晶体管外，还应尽量减少调谐回路的总电容量。（3）放大器的矩形系数矩形系数为放大电压倍数下降到0.1 Avo时对应的频率范围与电压放大倍数下降到0.707 Avo时对应的频率偏移之比，即上式表明，矩形系数越接近1，临近波道的选择性越好，滤除干扰信号的能力越强。（4）谐振频率放大器的谐振回路谐振时所对应的频率称为谐振频率。的表达式为 式中，L为谐振放大器电路的电感线圈电感量；为谐振的总电容，的表达式为： 式中，为晶体管的输出电容；为晶体管的输入电容。 谐振频率的测试步骤是：首先使高频信号发生器的输出频率为，输出电压为几毫伏；然后调谐集电极回路改变电容C或电感L使回路谐振。LC并联谐振时，直流毫安表mA的指示值最小，电压表V2指示值达到最大，且输出波形无明显失真。这时回路谐振频率就等于信号发生器的频率。3电路设计3.1 T型电阻网络本网络由纯电阻按T分布构成，电路图及其参数计算如下：查T型固定衰减器的衰减量与固定电阻值的表可知：R1=R2=49ohmR3=1ohm3.2、 LC并联谐振回路 根据题目要求，电路的谐振频率要在15MHZ,则由以下计算公式： 谐振频率 将15MHZ带入计算可知LC的值，在实际应用中如图引入可调电容来调解题目所要求的谐振频率即可3.3 LC谐振放大器电路图及PCB版图各个电阻，电容，电感的值可根据以上公式求得 4仿真调试4.1仿真软件 Multisim10.04.2.测试方法 根据仿真软件特性，可以搭建以上电路图，在电路搭建的基础上，利用软件中的电压表、电流表、示波器，幅频特性测试仪等进行测量，并在仿真电路中做参数的调整。4.3 衰减器仿真图4.4仿真测试电路图由multisim的仿真知道输入电阻RinRin=50ohm4.5谐振频率的测试如上图示：是输入电压与输出电压的波形图，其时间差值由上可知为66.226ns，转换为频率约为15MHZ，则说明电路图中各参数的设置满足题目要求4.6 幅频特性图 5设计总结 经过为期四天的设计，感触颇深的是理论与实践是分不开的！在大赛开始时，我们经过讨论选择了LC谐振放大器这题，原本以为根据对已学课程的了解，我们就可以较其他题目而言轻松完成任务，但是后来我们认识到纯模拟电路的理论知识固然比控制类的要简单，但是在实践时，问题就频频出现，如参数的设置等。虽然实物与模拟在调试时的值有一定的差距，成品也并没有预期的那样，很多时候模拟测出的量和实际测出的量会差很多，这不仅要有一定的耐心去好好补补理论知识，还要知道一些元器件的工作特性。总之经过这次的竞赛，我们明白了团队合作的重要性，明白了知识是无限的，更明白了要我们懂的东西还不止这些。我们的设计还存在着缺陷，有待于在将来设计中进一步提高，在此恳请各位老师批评指正。6 .实物调试记录说明6.1 制作好的芯片6.2 调试放大电压显示7参考文献1 童诗白、华成英等.模拟电子技术基础（第四版） 高等教育出版社.20062 曾兴雯，刘乃安等。高频电路原理与分析第三版。西安电子科技大学出版社，20013 阳昌汉.高频电子线路.哈尔滨：高等教育出版社，20064 谢白美.电子线路设计.实验.测试.武汉：华中科技大学出版社，2000 8. 附录附1：部分元器件清单 可调电源一个 三极管2N5551一个 电阻电容电感若干 导线若干 附2：仪器设备清单 函数信号发生器 示波器附3：AD8367说明AD8367具有以下主要特点:单端输入、单端输出;输入阻抗为200、输出阻抗为50;3dB带宽为500MHz;输入端为零电平时,输出端电平为电源电压的一半,且可调;具有增益控制特性选择和功耗关断控制功能;片上集成了律方根检波器,可以实现单片AGC应用;增益控制特性以dB成线性;可以通过外部电容将工作频率扩展到任意低频.2 工作原理AD8367的功能框图如图1所示,该芯片主要由可变衰减器、固定增益放大器和律方根检波器组成.它的输入级是总衰减量为45dB的可变衰减器,其中包含一个200单端梯形电阻网络和一个高斯内插器.该电阻网络由每级衰减量为5dB的9级衰减网络组成,并可由高斯内插器选择衰减因子,每级梯形网络以固定的分贝数衰减输入信号.当衰减量不是5dB的整数倍时,在控制电压的作用下,相邻两个衰减节点均会导通,通过离散节点衰减的加权平均值来获得与控制电压相对应的衰减量,并以这种方式获得平滑、单调的衰减特性.它在大于40dB的增益控制范围内,工作频率为200MHz时,可提供优于0.5dB的线性误差,而在400MHz时可提供优于1dB的线性误差.紧跟衰减器的是固定增益放大器,该放大器主要用于保证AD8367具有42.5dB的增益和500MHz的带宽,它实际上是一个具有100 GHz增益带宽积的运算放大器,因此,当其工作在高频时,仍具有良好的线性度.AD8367在输出端集成了一个律方根检波器,可检测输出信号电平并与内部设置的354mVrms电平(对应于1Vp-p的正弦波)相比较.当输出电平超过内部设置电平时,将产生一个差值电流.用接在DETO脚和地之间的外部电容CAGC(包括5pF的内建电容)对该电流进行积分可产生与接收信号强度成比例的RSSI电压,这样,在AGC应用时,该电压可以用作AGC控制电压.AD8367最适合工作在200阻抗系统,并可通过电阻或电抗无源网络来实现与其它通用阻抗系统(从射频系统的50到数据转换器的1k)的转换.一般情况下,转换网络的设计选择取决于特殊的系统要求,如带宽、回损、噪声系数和绝对增益范围等.AD8367内含无源可变衰减器和固定增益放大器,其电路噪声和失真性能均是增益和控制电压的函数,且输入折合噪声随衰减量成比例增加.电路在最大增益时具有最小为7.5 dB的噪声系数,增益每降低1dB,噪声系数增加1dB.在接收系统中,如果接收到的信号很弱,则会有最大增益和最小噪声系数;而当接收到的信号电平较高时,系统将具有较低的增益和较大的噪声系数.因此,电路噪声系数随增益的变化不会对系统造成明显的影响.电路的失真性能与噪声性能相类似.当AD8367工作在200源阻抗系统时,它的输出级是一个低输出阻抗电压缓冲器,此时具有50阻尼电阻,可以降低对负载电抗和寄生参数的敏感性.致谢通过本次课程设计，对单片机的应用开发有了进一步的了解，对程序设计感谢所有帮助和支持过我们的老师