LC谐振放大器

LC 谐振放大器 谐振放大器 D 题 题 摘要摘要 谐振放大器 就是采用谐振回路 串 并联及耦合回路 作为负载的放大器 根 据谐振回路的特性 谐振放大器对于靠近谐振频率的信号 有较大的增益 对于偏离 谐振频率的信号 增益迅速下降 所以谐振放大器不仅有放大的作用 而且也起着滤 波或者选频的作用 本系统输入信号很小 小于 50 V 放大倍数很高 超过 80dB 再加上对低压低功耗的要求 所以采用分立元件进行多级谐振放大 加入反馈防止自 激电路 AGC 电路 使电路更加可靠 稳定 关键词 关键词 谐振放大器 选频 自激 AGC 电路 滤波 2 目录 1 前言 3 2 总体方案设计 3 3 单元模块设计 5 1 40db 衰减器设计 5 2 谐振放大器设计 6 1 谐振频率 10 2 电压放大倍数 10 3 通频带 11 4 选择性 矩形系数 12 3 自动增益调节 AGC 设计 16 1 AGC 的作用 16 2 AGC 的组成框图 16 4 测试方法和仪器 16 5 系统功能 指标参数 17 6 设计总结 18 7 参考文献 19 8 附录 20 3 1 1 前言 前言 小信号调谐放大器是高频电子线路中的基本单元电路 主要用于高频小信号 或微弱信号的线性放大 1 高频小功率晶体管与 LC 并联谐振回路 高频小功率晶体管 高频小信号放大电路中采用的高频小功率晶体管与常用电路低频小功率晶体 管不同 主要区别是工作截止频率不同 低频晶体管只能工作在 3MHz 以下的频 率上 而高频晶体管可以工作在几十到几百兆赫兹 甚至更高的频率上 目前 高频小功率晶体管工的作频率可达几千兆赫 噪声系数为几个分贝 高频小功率 晶体管的作用与低频小功率晶体管一样 工作在甲类工作状态 起电流放大作用 LC 并联谐振回路 在接收机的各级高频小信号放大器中 利用 LC 并联谐振回路的选频作用 对 谐振点频率的电流信号呈现较大的阻抗 而且是纯电阻性的 将电流信号转换成 电压信号输出 而对失谐点频率的电流信号呈现很小的阻抗 抑制失谐点频率电 流信号的输出 起到选择出所需接收的信号 抑制无用的信号和干扰的目的 2 小信号谐振放大器的分类 按调谐回路划分 单调谐回路放大器 双调谐回路放大器和参差调谐回路放 大器 按所用器件划分 晶体管放大器 场效应管放大器和集成电路放大器 按器件连接方式划分 共基 共射与共集电极放大器或共源 共漏与共栅极 放大器 2 总体方案设计 总体方案设计 包括方案比较 方案论证 方案选择 以方框图的形式给出各方案 并简要说明 衰减器 方案一 固定衰减器 精度高 性能好 但价格较贵 4 方案二 分立元件自搭的衰减器 例如 型和 T 型网络 精度不高 但衰减效 果不错 性价比高 综上所述 分立元件衰减器网路完全能满足系统的要求 其性价比高 故选择 方案二 谐振放大电路 方案一 单调谐回路放大器 结构简单 调试方便 但矩形系数大 选择性 较差 方案二 双调谐回路放大器 选择性好 频带较宽 有效解决单调谐回路谐 振放大器的增益与通频带之间的矛盾 但调试复杂 据题目要求增益很高 综上所述 选择方案一 稳压电源 方案一 线性稳压电源 是指调整管工作在线性状态下的稳压电源其中包括 并联型和串联型两种结构 并联型电路复杂 效率低 仅用于调整速率和精度要 求较高的场合 串联型电路比较简单 效率较高 尤其是若采用集成三端稳压器 更是方便可靠 方案二 开关稳压电源 具有效率高的 但对于高频的电路系统 开关电源 会带来很大的干扰 方案三 现成的直流稳压源 稳定性好 短路保护过流保护措施完善 依题目要求 不需要自制稳压电源 而且最大功耗不大于 360mW 综上所述 提高系统的稳定性 选择方案三 5 3 单元模块设计 单元模块设计 40db 衰减器 LC 谐振 放器 A B Vi Vo 自动增益调 节 AGC 图图 a 系统总体框图 系统总体框图 A 是 5mv 的正弦波信号输入 产生于高频信号发生器 5mv 的信号经过 40db 的 衰减器之后进入谐振放大器 最后输出信号 Vo 在 1v 以上 1 1 40db40db 衰减器设计 衰减器设计 衰减器是在指定的频率范围内 一种用以引入一预定衰减的电路 一般以所引 入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明 比如在接收机前加个衰减 可以避免 过大的信号功率损坏接收机 或者在传输线路中加入衰减 模拟长距离传输的线路损 耗 等等 衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种 有源衰减器与其他热敏元件相配合组成 可变衰减器 装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中 无源衰减器有固定衰 减器和可调衰减器 无源衰减网络有 T 型网络 图 a 和 型网络 图 b 6 Rs1Rs2 Rp Z1Z2 Rs Rp1 Z1Z2 Rp2 a b T 型网络型网络 型网络型网络 图图 b 系统的要求特性阻抗为 50 欧姆 运用简单的衰减器计算器很容易得到参数 设 计一个 型网络 2 LC图图 c 谐振放大器设计 谐振放大器设计 2 2 谐振放大器设计 谐振放大器设计 原理 原理 图 d 所示电路为共发射极接法的晶体管高频小信号调谐放大器 它不仅要放大高 频信号 而且还要有一定的选频作用 因此晶体管的集电极负载为 LC 并联谐振回路 7 在高频情况下 晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数等会影响放大器输 出信号的频率和相位 晶体管的静态工作点由电阻 RB1 RB2及 RE决定 其计算方法 与低频单管放大器相同 图图 d 小信号调谐放大器小信号调谐放大器 放大器在高频情况下的等效电路如图 1 2 所示 晶体管的 4 个 y 参数 yie yoe yfe及 yre分别为 输入导纳 1 1 ebebbb ebeb ie jwcgr jwcg y 1 输出导纳 1 2 eb ebebbb ebbb m oe jwc jwcgr jwcrg y 1 8 正向传输导纳 1 3 ebebbb m fe jwcgr g y 1 反向传输导纳 1 4 ebebbb eb re jwcgr jwc y 1 图图 e 放大器的高频等效回路放大器的高频等效回路 式中 gm 晶体管的跨导 与发射极电流的关系为 1 5 S mAI g E m 26 gb e 发射结电导 与晶体管的电流放大系数 及 IE有关 其关系为 1 6 S mAI r g E eb eb 26 1 rb b 基极体电阻 一般为几十欧姆 Cb c 集电极电容 一般为几皮法 Cb e 发射结电容 一般为几十皮法至几百皮法 9 由此可见 晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作电流 IE 电流放大系 数 有关外 还与工作频率 有关 晶体管手册中给出的分布参数一般是在测 试条件一定的情况下测得的 如在 f0 30MHz IE 2mA UCE 8V 条件下测得晶体管 的 y 参数为 mS r g ie ie 2 1 pFCie12 mS r g oe oe 250 1 pFCoe4 mSyfe40 uSyre350 如果工作条件发生变化 上述参数则有所变动 因此 高频电路的设计采用工程 估算的方法 图 1 2 中所示的等效电路中 p1为晶体管的集电极接入系数 即 211 NNP 式中 N1 为中间抽头绕线匝数 N2为初级级线圈的总匝数 P2为输出变压器 T 的副边与原边的匝数比 即 232 NNP 式中 N3为副边 次级 的总匝数 gL为调谐放大器输出负载的电导 gL 1 RL 通常小信号调谐放大器的下一级仍 为晶体管调谐放大器 则 gL将是下一级晶体管的输入导纳 gie2 由图 1 2 可见 并联谐振回路的总电导的表达式为 g G jwL jwcgpgpg ieoe 1 2 2 2 1 G jwL jwcgpgp Loe 1 2 2 2 1 式中 G 为 LC 回路本身的损耗电导 谐振时 L 和 C 的并联回路呈纯阻 其阻值 等于 1 G 并联谐振电抗为无限大 则 jwC 与 1 jwL 的影响可以忽略 调谐放大器的性能指标及测量方法 10 表征高频小信号调谐放大器的主要性能指标有谐振频率 f0 谐振电压放大倍数 Av0 放大器的通频带 BW 及选择性 通常用矩形系数 Kr0 1来表示 等 放大器各项性能指标及测量方法如下 1 1 谐振频率谐振频率 放大器的调谐回路谐振时所对应的频率 f0称为放大器的谐振频率 对于图 1 1 所 示电路 也是以下各项指标所对应电路 f0的表达式为 LC f 2 1 0 式中 L 为调谐回路电感线圈的电感量 为调谐回路的总电容 的表达式为 C C ieoe CPCPCC 2 2 2 1 式中 Coe 为晶体管的输出电容 Cie 为晶体管的输入电容 谐振频率 f0的测量方法是 用扫频仪作为测量仪器 用扫频仪测出电路的幅频特性曲线 调变压器 T 的磁 芯 使电压谐振曲线的峰值出现在规定的谐振频率点 f0 2 2 电压放大倍数电压放大倍数 放大器的谐振回路谐振时 所对应的电压放大倍数 AV0称为调谐放大器的电压放 大倍数 AV0的表达式为 Ggpgp ypp g ypp u u A ieoe fefe i V 2 2 2 1 2121 0 0 式中 g 为谐振回路谐振时的总电导 因为 LC 并联回路在谐振点时的 L 和 C 的 11 并联电抗为无限大 因此可以忽略其电导 但要注意的是 yfe本身也是一个复数 所以谐振时输出电压 u0与输入电压 ui相位差为 180o fe AV0的测量方法是 在谐振回路已处于谐振状态时 用高频电压表测量图 1 1 中 RL两端的电压 u0及输入信号 ui的大小 则电压放大倍数 AV0由下式计算 AV0 u0 ui 或 AV0 20 lg u0 ui dB 3 3 通频带通频带 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 AV0的 0 707 倍时所对应 的频率偏移称为放大器的通频带 BW 其表达式为 BW 2 f0 7 fo QL 式中 QL为谐振回路的有载品质因数 分析表明 放大器的谐振电压放大倍数 AV0与通频带 BW的关系为 C y BWA fe V 2 0 上式说明 当晶体管选定即 yfe确定 且回路总电容 C 为定值时 谐振电压放 大 倍数 AV0与通频带 BW 的乘积为一常数 这与低频放大器中的增益带宽积为一常 数的概念是相同的 通频带 BW 的测量方法 是通过测量放大器的谐振曲线来求通频带 测量方法 可以是扫频法 也可以是逐点法 逐点法的测量步骤是 先调谐放大器的谐振回路使 其谐振 记下此时的谐振频率 f0及电压放大倍数 AV0然后改变高频信号发生器的频率 保持其输出电压 uS不变 并测出对应的电压放大倍数 AV0 由于回路失谐后电压 放大倍数下降 所以放大器的谐振曲线如图 1 3 所示 由式 1 14 可得 12 0V A Av 0 7 BW 0 1 L f 0 f H f 2 f0 1 图图 f 谐振曲线谐振曲线 7 0 2 fffBW LH 通频带越宽放大器的电压放大倍数越小 要想得到一定宽度的通频宽 同时又能 提高放大器的电压增益 由式 1 15 可知 除了选用 yfe较大的晶体管外 还应尽 量减小调谐回路的总电容量 C 如果放大器只用来放大来自接收天线的某一固定频 率的微弱信号 则可减小通频带 尽量提高放大器的增益 4 4 选择性选择性 矩形系数矩形系数 调谐放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数 Kv0 1 时来表示 如图 1 3 所 示的谐振曲线 矩形系数 Kv0 1 为电压放大倍数下降到 0 1 AV0时对应的频率偏移与 电压放大倍数下降到 0 707 AV0时对应的频率偏移之比 即 Kv0 1 2 f0 1 2 f0 7 2 f0 1 BW 1 17 上式表明 矩形系数 Kv0 1 越小 谐振曲线的形状越接近矩形 选择性越好 反 之亦然 一般单级调谐放大器的选择性较差 矩形系数 Kv0 1 远大于 1 为提高放 大 器的选择性 通常采用多级单调谐回路的谐振放大器 可以通过测量调谐放大器的谐 振曲线来求矩形系数 Kv0 1 13 当单级放大器不能满足性能要求时 主要是增益要求 常采用多级放大器级联的 方式 级联之后的增益 通频带和选频性等指标都会发生相应的变化 设放大器有 m 级 各级电压增益分别为 Av1 Av2 Avm 则总的电压增益为 通频带 当 m 级相同的放大器级联时 总的通频带为 选择性 矩形系数 令 Am Am0 0 1 得 m 越大 级数越多时 矩形系数越小 选择性越好 系统电路设计 系统电路设计 1 0 1 1 1001 21 m rm m K 2 2 0 0 7 0 11 2 2 1 m m m m L A A f Q f 1 0 70 221 m L m ffQ 12mvvvm AAAA 14 图图 h 三级放大原理图 三级放大原理图 理论计算 理论计算 系统采用的三极管为 9018 主要参数指标如下 15 9018 是超高频三极管 在本系统工作频率高达几十 MHz 不能随意代换 市面上 2SC3355 可以替代 但 2SC3355 管子多用贴片封装 不方便手工焊接 故选择稳 定性较高 性价比很高 容易购买到的 9018 根据题目所给的指标 15MHz确定谐振频率的 L C 的值 0 f 16 LC f 2 1 0 ieoe CPCPCC 2 2 2 1 系统选用电容 C 39pf 再加 20pf 可调 配合中周变压器 静态工作点 放大器工作电流一般在 0 8 2mA 之间选取为宜 设计电路中 CQ I 取 设 因为 而 所以 mAIc 1 10 e R EQEQe VIR EQCQ II 0 01V 因为 硅管的发射结电压为 0 7V 所以 0 7V 因为 EQ V BEQ V BQ V EQ V EQCCCEQ VVV 所以 因为 而VVVVCEQ89 2 71 0 6 3 BQBQb IVR 105 2 取则 mAmAII CQBQ 001 0 50 5 1 BQ I10 71010 2BQBQb IVR 考虑到系统的稳定性 方便静态工作的调节 Rb1 以及 Re 用电位器 增益 Ggpgp ypp g ypp u u A ieoe fefe i V 2 2 2 1 2121 0 0 带宽与矩形系数 放大器的谐振电压放大倍数 AV0与通频带 BW的关系为 矩形系数 BW 这里的 m 等于 3 2 2 0 0 7 0 11 2 2 1 m m m m L A A f Q f 1 0 70 221 m L m ffQ 1 0 1 1 1001 21 m rm m K 17 3 3 自动增益调节自动增益调节 AGCAGC 设计设计 1 AGC1 AGC 的作用的作用 自动增益控制电路的作用 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 2 AGC2 AGC 的组成框图的组成框图 自动增益控制电路的组成框图如图 3 5 2 所示 图 3 5 2 自动增益控制电路的组成框图 由图可见 自动增益控制电路可以看成由反馈控制器和 控制 对象两部分组成 其中反馈控制器由电平检测器 低通滤波器 直流放大器 电压比较器和控制电 压产生器组成 被控对象是可控增益放大器 可控增益放大器的输入信号就是 AGC 电路的输入信号 其输出信号 其增益为 4 4 测试方法和仪器 测试方法和仪器 1 衰减器测试 用高频信号发生器输入信号 15MHz 峰峰值 100mv 连入衰 减器输入 输出端直接接示波器观察 2 末级输出信号测试 用一个频率带宽为 100M 的信号发生器作为信号源 经过衰减器之后 观察记录不同输入信号的时候 输出信号的电压 频率 再通 过 18 计算求通频带 矩形系数 3 静态工作点测试 断开交流输入信号 根据 9018 的性能 测试三极管发射 极电压 Ue 调节三极管射极下拉电阻 使其 Ue Re 1mA 2mA 所用测试仪器 所用测试仪器 高频信号发生器 KENWOOD SU 5110 一台 频率特性测试仪 BT3C VHF 一台 直流稳压源 LWQGB PS 302D 一台 100M 双踪示波器 RIGOL DS1052E 一台 数字万用表 VICTOR 一台 5 5 系统功能 指标参数 系统功能 指标参数 测试结果 1 衰减器测试结果 输入信号 14 14mV 输出信号 0 138mV 特性阻抗 50 衰减量 40 172dB 题目要求 衰减量 40 2dB 特性阻抗 50 测试结果达到题目要求 2 谐振频率 fo 14 94MHz 题目要求 fo 15MHz 允许偏差 100kHz 测试结果在误差范围之内 达到题目要求 3 功耗 由直流稳压源读数可得 系统的功耗为 W 3 6x35 126mW 题目要求 3 6v 稳压电源供电 最大允许不超过 360mW 测试结果达到题目要求 4 输入阻抗 50 13 题目要求 输入阻抗 50 达到题目要求 5 3dB 带宽 14 995MHz 14 891MHz 104kHz 题目要求 3dB 带宽为 300kHz 19 6 2 f0 7 通频带 14 995MHz 14 891MHz 104kHz 2 f0 1 15 206MHz 14 673MHz 0 532MHz 矩形系数 Kr0 1 2 f0 1 2 f0 7 5 12 7 电压增益 数据如表所示 电压增益远远大于题目