大学生电子设计竞赛—LC振荡器.doc

1 题目要求1任务设计并制作一个LC谐振放大器。2要求设计并制作一个低压、低功耗LC 谐振放大器；为便于测试，在放大器的输入端插入一个40dB 固定衰减器。图1.1 电路框图2. 1 基本要求（1）衰减器指标：衰减量402dB，特性阻抗50，频带与放大器相适应。（2）放大器指标：a） 谐振频率：f0 =15MHz；允许偏差100kHz；b） 增益：不小于60dB；c）3dB 带宽：2f0.7 =300kHz；带内波动不大于2dB；d） 输入电阻：Rin=50；e） 失真：负载电阻为200，输出电压1V 时，波形无明显失真。（3）放大器使用3.6V 稳压电源供电（电源自备）。最大不允许超过360mW，尽可能减小功耗。2. 2 发挥部分（1）在-3dB 带宽不变条件下，提高放大器增益到大于等于80dB。（2）在最大增益情况下，尽可能减小矩形系数Kr0.1。（3）设计一个自动增益控制（AGC）电路。AGC 控制范围大于40 dB。AGC 控制范围为20log(Vomin/Vimin)20log(Vomax/Vimax)（dB）。（4）其他。2 系统方案2.1 系统方案与比较2.1.1 衰减器电路部分方案一：采用T型衰减器图2. 1 T型衰减器如图2.1所示电路可以在不改变等效电阻的前提下实现对信号电压衰减，图中增加的两个电阻可以保持等效电阻不变，所以此网络被称为T型网络电路。方案二：采用型衰减器图2.2 型衰减器公式为： 如图2.2所示电路为型网络电路。它与T型网络电路一样可以实现信号衰减并保持输入阻抗不变。假设衰减为40dB，输入输出阻抗为50时，T型衰减器中R51，R11，而型衰减器中R51，R12.5k。由于受引线和焊点的影响，阻值过小，很难保证其精度，从而影响衰减的准确度。所以，当要求衰减较大时用型衰减器较合适。2.1.1 调谐放大电路部分方案一：两级共射级放大电路和一级调谐电路，单调谐放大电路，电路简单但矩形系数仅为9、96。方案二：两级共射级放大电路和参差调谐电路，参差调谐放大电路，矩形系数能达到3-5，但电路复杂调试困难，所以我们选择方案一。2.1.2 可控增益电路部分方案一：采用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA。可控增益放大器（如AD603）内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯型网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口参考电压决定；而这个参考电压可通过控制器进行运算并控制D/A芯片输出控制电压得到，从而实现较精确的数控。但因功耗较大，且无法在3.6V单电源供电下正常工作，所以不选用此方案。方案二：采用分立元件使输出电压通过二极管检波电路和低通电路转换为直流电压，用单片机进行采集，并通过DA输出直流电压至放大电路的工作点调节处，通过此反馈实时调整放大电路的工作点从而实现AGC功能。因此方案选用都是分立元件，故可在低电压情况下稳定工作，所以选择此方案。2.2 系统总体构成本系统设计包括四大部分：衰减器、共射级放大电路、选频放大电路、可控增益电路部分等系统构成，总体结构方框图如图2.3所示。信号源输出5mV交流信号，经衰减器输出进入两级放大，再经两级调谐放大器后输出给200负载，AGC电路是在负载输出端采集电压再通过二极管检波电路，后经单片机采集再通过DA输出接至共射级放大电路的工作点调节处。衰减器100：1放大器谐振放大器信号源放大器单片机系统稳压电源220+3.6V+5V从输出处采集电压二极管检波电路图2.3 系统总体结构方框图3 理论分析与计算3.1 阻抗匹配信号传输过程中负载阻抗和信源内阻抗之间的特定配合关系。电路间多级串联的前级输出阻抗和后级的输入阻抗之间所应满足的某种关系，以免接上串联后对电路本身的工作状态产生明显的影响。本系统要求衰减器的特征阻抗50，放大器的输入阻抗为50，本系统通过在输入端并联50电阻实现了阻抗匹配。3.2 增益分配本题目的基本要求放大倍数为60dB,一级放大不能达到这么大的放大倍数，所以需要多级放大器组合完成。多级放大器为了避免放大器的自激就需要考虑增益分配的问题。根据共射级放大电路电压放大倍数的定义： Au=Uo/Ui在共射级放大器中在负载电阻一定下，选取晶体管是决定放大倍数的主要因素。在LC谐振放大器中如图3.1所示为谐振放大器等效电路图：图3.1 谐振等效电路图其中P1为晶体管的集电极接入系数，即式中，N2为电感L线圈的总匝数：P2为输出变压器的副边与原边匝数比，即式中N3为副边总匝数。3.3 选择性谐振放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数来表示本题目要求谐振频率：f0=15MHz；允许偏差100kHz；3dB 带宽：2f0.7 =300kHz；带内波动不大于2dB；在最大增益情况下，尽可能减小矩形系数Kr0.1。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。单调谐的K值等于9.96，参差调谐小于此值，约3-5。所以本系统选用一级放大加调谐放大器组成，谐振回路带宽为谐振回路谐振时所对应的中心频率表达式为 品质因数，其表达式为： ；矩形系数通过公式的可以看出要想提高谐振回路的选择性，就需要提高谐振放大器的中心频率。根据公式可以计算出本系统需要Q0的值为50。3.4 AGC本系统将使用控制放大器工作点的方式来实现AGC功能。AGC有两种控制方式：一种是利用增加AGC电压的方式来减小增益的方式叫正向AGC，一种是利用减小AGC电压的方式来减小增益的方式叫反向AGC .正向AGC 控制能力强，所需控制功率大被控放大级工作点变动范围大，放大器两端阻抗变化也大；反向AGC所需控制功率小，控制范围也小。因本系统要求低功耗，所以本系统将应用反向AGC控制，使增益控制在大于40dB即：20log(Vomin/Vimin)20log(Vomax/Vimax)（dB）。3.5 低功耗题目要求放大器部分单电源3.6V供电且功耗不能超过360mW,所以本系统将使用低功耗的电路结构和元器件，以降低系统的功耗。4 电路设计4.1 衰减器电路设计衰减器选用型电阻网络进行衰减，如图4.1图4.1 衰减电路此电路实现了40dB的衰减，同时特征阻抗为50。4.2 共射级放大电路设计两级共射放大电路增益共40dB,电路如图4.2图4.2 共射级放大电路4.3 选频放大电路设计两级选频放大电路构成参差调谐放大电路，第一级中心频率为14.9MHz，第二级中心频率为15.1MHz，两级调谐放大增益为20dB，中心频率为15MHz，3dB带宽为2MHz。电路如图4.3。图4.3 选频放大电路4.5 完整电路图4.6 最大不失真产生电压及功耗最大不失真输出电压能达到1.2VP功耗=VCC*I0=278mW5 测试方法与测试结果5.1 测试用仪器名称与型号高频信号发生器：SP1461数字合成高频标准信号发生器示波器：RIGOL DS-1152D-EDU数字万用表：VICTOR VC975.2 测试方法及结果5.2.1 衰减器测试 ：将信号源输出接至衰减器输入，用示波器观察衰减器的输出记录衰减器的衰减情况如表5.1表5.1输入信号输出信号1.0V9.87mV150mV1.34 mV5.2.2 放大器测试 ：将信号源输出接至衰减器输入，用示波器观察200负载的输出端。信号源输入有效值5mV正弦波，频率从10MHz以步进10KHz增加到20MHz，观察示波器的波形记录下来谐振的中心频率、输出的最大幅值、-3