LC高频谐振电路.doc

LC谐振放大器设计与总结报告摘要：本设计选用高频三极管3DG80，通过多级级联放大达到预期的增益设计要求，通过在三极管的反馈端引入谐振回路是电路谐振在特定的频率点，达到谐振选频的目的，前级放大模块设置三极管的工作模式让其可以在0到30M的工作频段内都对信号有一个比较大的增益，为了尽最大可能改善选频网络的品质因素，我们将电视机里面的中频部分的中周变压器进行了改造让其谐振点控制在15M左右一个比较窄的带宽范围内，为了放大部分的增益我们用纯模拟电路搭建了一个AGC电路，整个系统包括：自制信号采集模块，信号衰减模块，固定增益放大模块，谐振选频模块，AGC增益控制模块。关键词：高频 3DG80 谐振放大 窄带选频 AGC电路一、方案论证与比较1.1高增益放大电路的方案论证及选择 方案一：采用专用的宽带集成芯片来设计，在方案选择是我们选考虑了ADI公司的可控增益运放AD603，AD603拥有对90M以内的信号进行高增益的放大，而且可以根据不同的频率要求择不同的工作模式，其中模式三就可以达到40dB，30M的带宽可以满足15M的中心频率，在第二级通过AGC电路使放大器的增益稳定在一个比较小的波动范围内，AD603的增益调节比较灵活而且不受反馈端的影响。但是在实际的试验中我们发现AD603不能满足低功耗的要求，而且在面包板上搭建电路的时候发现实际调试非常复杂，而且系统很容易自激导致增益根本不可能达到80dB的设计要求，我们没有选择这个方案。 方案二：选用高频小功率三极管，采用多级逐级放大的方式使放大器的放大倍数达到80dB的设计要求，通过设置合适的静态工作点让三级管都工作在线性放大状态，此方案虽然说但是由于各级都工作在高频状态各级之间的干扰很大，对电路布线以及电子元件的摆放有比较高的要求，采用分立三极管搭建电路在布线上多多考虑一下尽最大可能客服分布参数的影响，更重要的是3DG80是一个高频小功率三极管对于设计要求中的低功耗要求有一定的积极影响，结合我们的实际情况我们选择了三极管搭建电路的方案。1.2谐振选频网络的方案论证及选择 方案一：采用无源滤波网络，采用滤波器设计软件计算出合理L、C的值，理论计算之后发现电容，电感的值过于精确，值精确到了小数点后几位数，将电容的值固定来调节电感的值来调整谐振频率，通过调节插入电感线圈中的高频磁芯的位置来调节电感量，这种设计方法参数的计算比较复杂，但是设计起来原理比较简单，而且可以在系统调试的时候可以动态地调节谐振频率点，但是这样做LC谐振回路的品质因素难以做到很高，频带为300KHz的通频带要求很难达到。 方案二：根据设计要求中15M的中心频率要求，我们考虑到可以通过改造电视机里面的中周变压器的原边副边的绕组线圈数结合外接电容来达到15M的中心频率设计要求 ，我们自己改造一个中周变压器，而且结合信号发生器和示波器实际测量我们将其谐振在了15MHz，此方案虽然说在改造中周变压器的时候比较复杂，但是可以得到很高的Q值，选频窗口可以做得很陡峭，选频性能比较好。 综合各方面考虑， 我们选择了方案二。1.3 AGC自动增益控制电路的方案论证及选择方案一:采用传统的单片机和AD，DA通过电压采样和初始电压信号进行比较在单片机内部进行电压调整通过DA输出控制3DG80三极管的增益控制端口达到自动增益调整的目的，但是接入此模块之后系统的功耗增加，功耗可能超过题目给定的360mW，为了满足要求，我们放弃了此方案。 方案二：采用纯模拟的AGC网络从第三级三极管的输出反馈到第一级，第二级三极管的中周变压器的副边的电压控制端口达到最终的自动增益控制，用纯模拟电路来搭建AGC网络，准确性稳定性往往没有单片机程序控制精准度高但是为了满足低功耗的要求我们还是选择了该方案。 我们选择了方案二。1.4 系统方案论证 本系统的主要功能就是设计一个高增益LC谐振放大网络，系统要实现的功能便是对微弱信号的高增益放大和对有用信号的窄带选择，整个系统分为高增益放大模块，LC选频放大部分，整个系统的核心部分在于怎么样设计一个选频窗口能够实时控制AGC自动增益的变化，且保持通带窗口始终不变。系统的框图如下图所示：图1.1二、理论分析与参数计算2.1 增益的分析与计算 由于一级3DG80三极管只能实现53倍的放大，系统要求总的系统增益要达到80dB，结合实际三极管之间的相互影响的调试经验可以利用三级三极管级联放大达到系统的设计要求。通过反复地调试可以比较合理地设置静态工作点Q，根据三极管的交流小信号模型可以大致的算出自己想设置各级的放大倍数，然后再在各级电路中调试达到相关的设计指标。 图2.1 图2.2对于3DG80三极管, 用万用表测得三极管=270，为了使发射极正向偏置，UBEQ=0.7V，通过反复调试最终使得第一级三极管VCC=3.6V，IBQ=40uA，UCEQ=1.8V。由三极管的小信号分析方法可以得到：ICQ=*IBQ ，IEQ=(1+)IBQ，求得： ICQ=10.8mA, IEQ=10.84 mA, 根据直流通路有：公式一： IBQ*RB+UBEQ=VCC得：RB=(VCC - UBEQ)/ IBQ 公式二：UCEQ+ICQ*RC=VCC得：RC=(VCC-UCEQ)/ICQ得：RB=282.5K,RC= 55. 动态分析：要求出放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro 。图2.3由公式 rbe=300+(1+)*0.026V/IEQ 代入数据求得： rbe=950 三极管放大电路的放大倍数Au为：Au=Uo/Ui=-(*IBQ*RL)/( IBQ*rbe )= -*RL/rbe当空载时，RL=0, 则有: Au=-*RC/rbe代入数据求得Au=-157 （ 倍 ）2.3 AGC自动增益控制电路的分析与计算自动增益控制(AGC)电路的工作原理是设定一个基准电压，通过检测电路，根据信号电压的实际情况自动调整放大电路的增益，使输出稳定在基准电压上，它的作用是在输入信号幅度变化很大的情况下，自动保持输出信号幅度在很小范围内变化的一种自动控制电路。题目要求AGC的控制范围大于40dB，又其计算公式为20log(Vomin/Vimin)-20log(Vomax/Vimax)可以设置相关的输入输出参数，在实际试验中进行比较。2.4 带宽与矩形系数的分析与计算 根据题意，要求的-3dB带宽不变，矩形系数Kr0.1=f0.1/f0.7.矩形系数只能通过示波器实际测量而不是纯粹的理论计算的结果。三、硬件电路设计3.1 衰减网络模块设计 对于前级衰减器，题目要求40dB固定，设计如下图所示：图3.1在实际的调节过程中通过中周变压器调节相关的谐振频率到15M左右一个比较窄的频率窗口内做成一个一15M为中心频率的一个窄带陷波器。3.2 高增益放大模块的设计 对于高增益放大电路，我们采用分立元件3DG80三极管多级逐级放大的方式使放大器的放大倍数达到80dB，通过设计合适的静态工作点让三级管都工作在放大状态，通过逐级放大达到设计目标.，计如下图所示： 图3.23.3 LC谐振选频模块的设计为了尽最大可能改善选频网络的品质因素，LC谐振网络采用电视机中频信号的中周变压器进行了改造让其谐振点控制在15M左右一个比较窄的带宽范围内，设计原理图如下所示：图3.33.3 直流电源设计本设计采用线性直流稳压电源，输入为交流220V，输出直流电压为+3.6V，为整个系统供电，电路原理图见附录.四、测试方法与测试结果4.1 测试方法与仪器采用信号发生器、示波器、交、直流电压表及必要的部件对LC谐振放大器进行幅频特性测量和衰减指标的测试.仪器：数字示波器DS1062C 五位半数字万用表UT56 函数信号发生器DG1022注意：实际测量中由于是在检测高频信号的相关参数，所以一定要合理得注意一些抗干扰的措施4.3 测试结果与分析4.3.1 40dB固定衰减器指标的测试输入信号(V)654321输出信号(mV)62543828124谐振频率(MHz)14.715.816.215.215.315.1频率误差（MHz）0.30.81.20.20.30.1特性阻抗()54.7656.7862.3678.84382.64390.76阻抗误差()4.766.7812.3618.84332.64340.76衰减倍数(dB)40.0040.0139.9439.9940.0039.99衰减误差(dB)00.010.060.0100.01表4.14.3.2 放大器的指标测试输入阻抗()54.7656.7862.3678.84382.64390.76阻抗误差()4.766.7812.3618.84332.64340.76谐振频率(MHz)14.715.816.215.215.315.1频率误差(MHz)0.30.81.20.20.30.1-3dB带宽(kHz)61273412151014578842宽内波动(dB)8.245.76.34.89.23.7增益(dB)22.5628.3217.5424.7837.6432.58增益误差(dB)37.4431.6842.4635.2222.3627.58功耗(mW)560.84720.36480.52320.74380.88270.68功耗误差200.84360.36120.52020.880表4.2分析：根据测试结果，增益误差远小于题目要求2dB, 测量的误差主要来源是交流工频干扰和电磁干扰，由于试验场地有许多电脑和仪器，电磁噪声很大。而且手焊万用板，在性能指标上肯定不如比较成熟的PCB板。而且走线工艺，布线方法随结果都会产生很大的影响由于我们是第一次做高频信号类的设计没有实际的设计经验，在这一方面要多加努力。五、讨 论本设计基于纯模拟技术，将集成元件与分立元件相结合设计的LC谐振放大器，基本完成了题目所要求的各项基本指标，最大增益可达80dB，具有相对比较好的抗噪性能,本系统的创新之处是利用中周变压器进行改造设计设计出了通带窗口比较陡峭的高Q值的选频网络。将高频段很难做到陡峭的选频窗口做得相对比较陡峭，达到了设计所要求的300KHz的比较窄的频率窗口。 在本次竞赛中，我们三人齐心协力，经常在一起讨论遇到的问题，选择最终的解决方案，从而使我们能顺利完成作品