LC谐振放大器

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 5 1 1 衰减器的选择 5 1 2 选频电路的选择 5 1 3 LC 谐振放大选型 5 2 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 6 3 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 8 4 仿真调试 8 4 1 仿真软件 8 4 2 测试方法 8 4 3 衰减器仿真 8 4 4 仿真电路图 9 4 5 谐振频率测试 9 4 6 幅频特性图 10 5 设计总结 10 6 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 11 7 参考文献 12 8 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 12 9 致谢 15 1 1 方案设计与论证 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 2 主要技术指标主要技术指标 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 3 电路设计 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 49ohm R3 1ohm 3 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 4 仿真调试 仿真调试 4 1 仿真软件 Multisim10 0 4 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输入电阻 Rin Rin 50ohm 4 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 5 设计总结 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 7 参考文献 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 2006 2 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 2001 3 阳昌汉 高频电子线路 哈尔滨 高等教育出版社 2006 4 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 8 附录附录 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