2011年全国电子设计大赛LC谐振放大器报告

1 2011 年全国电子设计 大赛 2 LC 谐振放大器（D 题） 摘要 本设计采用三级管两级放大实现一个低压、低功耗的 LC 谐振放大器。该放 大器实际上是一个高频小信号谐振放大器，其核心元件是高频小功率晶体管和 LC 并联谐振回路。无线通信接收设备的接收天线接收从空间传来的电磁波并感 应出的高频信号的电压幅度是（V）到几毫伏（mV），而接收电路中的检波器 （或鉴频器）的输入电压的幅值要求较高，最好在 1V 左右。这就需要在检波前 进行高频放大和中频放大。为此，高频小信号放大器，完成对天线所接受的微 弱信号进行选择并放大，即从众多的无线电波信号中，选出需要的频率信号并 加以放大，而对其它无用信号、干扰与噪声进行抑制，以提高信号的幅度与质 量。 关键词：高频小功率晶体管 LC 并联谐振回路 高频小信号放大器 Abstract This design uses the level 3 tube two stage amplifier achieve a low pressure, low power consumption LC resonance amplifier. The amplifier is actually a high frequency amplifier, small signal resonance its core element is high frequency small power transistors and LC parallel resonant circuit. Wireless communication receiving equipment receiving antenna receive from space of electromagnetic waves came out and induction of high frequency signals of voltage amplitude is (u V) to several millivolt (mV), and the detectors receiving circuit (or is popularly used implement) input voltage amplitude the demand is higher, the best around 1 V. This needs to be in the detection of high frequency amplifier and before medium frequency amplifier. Therefore, high frequency amplifier, small signal of the antenna to complete a weak signal and amplified, namely to choose from so many of the radio signal, elected in the frequency of the signal and the need to be amplified, and for other useless signal, interference and noise control, in order to improve the signal amplitude and quality. Keywords: high frequency small power transistors LC parallel 3 resonant frequency small signal amplifier circuit 1、系统方案论证与比较 系统总体设计框图 输入 信号 衰减器LC 谐振放 大器 输出信号 1.1 衰减器的设计方案 方案一：采用纯电阻电路网络使输入电压衰减 40dB，有两种电阻衰减器的 结构：T 型和 PI 型，都是对称结构。利用衰减器计算软件，选择衰减器类 型，输入衰减量、输入阻抗、输出阻抗，单击确定，即可得到纯电阻网络 的衰减器。此类衰减器结构简单，容易分析。 方案二：在纯电阻电路网络后加入一个选频网络，实现输入信号在一定频 率范围内衰减。 方案三：利用低通滤波器和高通滤波器设计一个带阻滤波器，其中心频率 为 15MHZ,300KHZ 衰减 40DbB。利用椭圆函数计算方法，确定电路中的各 种参数。 LC 椭圆函数带阻滤波器，中心频率 15MHz，在 50KHz 处衰减量为 1dB 在 300KHz 处的衰减量为 40dB 负载阻抗 50 欧姆。 计算过程 fu=15600KHz,fl=14400KHz,中心频率 f0=15000KHz. 带宽陡度系数 AS=510/=510/300=1.70,选择一个频率比为 1.7，且衰减从 1dB 到 大于 40dB 的滤波器。 4 运行 Filter Solution 程序，点击“阻带频率”（Stopband Frequency），在“通带波纹（dB）”(passband ripple)内输入 0.18，在 “通带频率”内输入 1，在阻带频率内输入 2，选中频率单位“弧度”,在 “源阻抗”和“负载阻抗”内输入 1. 点击“确定阶数”控制按钮，打开第二个面板，在“阻带衰减”内输入 40，点击设置最小阶数，关闭，选中“偶次阶模式”。 点击“电路”按钮，选择“无源滤波器 1”，得到低通滤波器 所有电感用倒数值电容替代，所有电容用到数值电感代替，得到归一化 高通结构。 所有高通元件乘以 Qbr,Qbr=29.4. 每个高通电感与一个串联电容谐振，每个电容与一个并联的电感谐振， 获得归一化带阻滤波器，此时中心频率为 1rad/s,所以谐振元件之间是倒数 关系。 中心频率 15MHz,Z=50O,电路中电感乘以（Z/FSF）,电容/(zFSF). FSF=2f0 通过对这三种方案的对比和分析，在该设计中我们选择了第二种设计方案， 因为该电路结构简单，其参数也较易计算和确定。 1.2 放大器部分设计方案 从放大器的组成器件上来分，初步定下三套方案。 方案一：采用单管（晶体管）多级放大，高频小功率晶体管具有高增益、低噪 声及低功耗的特点。此电路电路结构简单，通过很多实验可得，放大倍数一般 比较小，不能满足 60dB 的放大倍数。 方案二：采用运算放大电路放大,运算放大电路的电能损耗较大，不满足低功耗 的要求。 方案三：以高频管 VT 为中心组成的一级单调谐高频放大器，高频载波信号经 L1、L2电磁耦合后，采用 L2 中间抽头办法将其加至高频管的 VT 发射结，目的 是改善 VT 与输入回路间的阻抗匹配。C2容量较大，对高频载波呈短路。VT 和 调谐回路 L3、C5及电阻 R1R3等组成共基极单调谐放大器，R2、R3组成基极偏 5 置分压器，使 VT 工作在线性放大状态；R1为发射极电阻，用于稳定工作点； C3、C4容量较大，对高频信号旁路。 因此本设计的放大器选择第三个方案。 2、理论分析与计算 2.1 衰减器的分析计算 根据题目要求可知此衰减器衰减量为 40dB。根据衰减器设计方案二，计算 出衰减器中的各参数。 2.2 LC 谐振放大器的分析计算 LC 谐振放大器电路高频小信号谐振放大器的作用、电路组成、及工作原理， 与低频小信号放大电路是基本一致的。不同的是：一是在高频小信号谐振放大 器中，所放大信号的频率远比低频放大电路信号频率高；二是高频小信号谐振 放大器的频宽是窄带（要求只放大某一中心频率的载波信号）。因此，首先在 电路组成上应将低频放大电路中的低频三极管换成具有更高截止频率的高频三 极管，将集电极负载换成了 LC 选频网络；再是在电路分析与设计中，应重点考 虑电路的高频特性与选频特性。高频小信号谐振放大器的核心元件是高频小功 率晶体管和 LC 并联谐振回路。 2.2.1 高频小功率晶体管与 LC 并联谐振回路 （1）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。 （2）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。 2.2.2 小信号谐振放大器的分类 6 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。 2.2.3 高频小信号谐振放大器的主要性能指标及计算 （1）谐振电压增益 放大器的谐振电压增益是指放大器在谐振频率上的电压增益，记为，其 值可用分贝(dB）表示。实际应用时，考虑放大器的稳定性问题，单级放大器的 增益一般为 2030dB；若增益不够，可采用多级调谐放大器级联实现。 （2）通频带 通频带是指放大器的电压增益下降到谐振电压增益的时所对应的频率 范围，一般用（或）表示。 由于小信号调谐放大器所放大的一般都是已调信号，包含一定的边频，所 以放大器必须有一定的通频带。如：一般调幅广播接收机的中放通频带约为 8KHz，调频广播接受机的中放通频带约为 200KHz。 （3）选择性 选择性是指放大器从各种不同频率的信号中选出有用信号而抑制无用或干 扰信号的能力。通常用“抑制比”和“矩形系数”两个技术指标。 抑制比：定义为谐振电压增益与通频带外指定偏离谐振频率处的 电压增益之比值，用表示，记为 （dB）d = 值越小，即衰减的分贝数越大，则放大器选择性越好。例如：收音机 的选择性指标就用抑制比来描述，普通调幅收音机，偏离处，衰减不 低于 20dB；优质调幅收音机，偏离处，衰减不低于 3040dB；调频收 音机，偏离处，衰减不低于 30dB。 7 矩形系数：用于评定实际的谐振曲线偏离（或接近）理想谐振曲线的程 度，矩形系数定义为 的值越小越好，在接近 1 时，说明放大器的谐振曲线就越接近于理想谐 振曲线，放大器的选择性越好。 （4）稳定性 稳定性是指当组成放大器的元件参数变化时，放大器的主要性能增益、 通频带、选择性的稳定程度。 常见不稳定现象：增益变化、中心频率偏移、通频带变化、谐振曲线变形、 放大器自激。 （5）噪声系数 信噪比：用来表示噪声对信号的影响程度，电路中某处信号功率与噪 声功率之比称为信噪比。信噪比大，表示信号功率大，噪声功率小，信号受噪 声影响小，信号质量好。 噪声系数：用来衡量放大器噪声对信号质量的影响程度，输入信号的信 噪比与输出信号的信噪比的比值称为噪声系数。在多级放大器中，最前面一、 二级对整个放大器的噪声起决定性作用，因此要求它们的噪声系数尽量接近 1。 2.2.4 高频小信号谐振放大器的分析与计算 1单级单调谐放大器 （1）电路组成 如图 3-2-1a）所示为一个共发射极单调谐放大器，它是一个超外差接收机 中一个典型的中频放大器。图中，Rb1、Rb2和 Re组成稳定工作点的分压式偏置 电路，Cb、Ce为中频旁路电容，ZL为负载阻抗（或下一级的输入阻抗），Tr1 、Tr2为中频变压器（中周），其中 Tr2的初级电感 L 和电容 C 组成的并联谐振 回路作为放大器的集电极负载，采用变压器耦合使前后级直流电路分开，也能 较好地实现前后级的阻抗匹配。 8 a) b) 图 3-2-1 单调谐放大器电路 a) 单调谐放大器电路 b)交流通路 图 3-2-1b）分别为共发射极单调谐放大器的交流通路。半导体三极管工作 在甲类工作状态，可将高频信号被放大的过程及信号流程扼要的表述为： 输入的高频小信号V 的基极基极电流集电极电 流 回路谐振电压在负载上产生电压，使输入高频小 信号得以放大。 （2）幅频特性曲线 由于 LC 并联谐振回路具有选频特性，因此，单调谐放大器具有选频放大功 能。图 3-2-2 所示为单调谐放大器的幅频特性曲线，当输入信号频率等于 LC 谐 振频率时，即，其增益最高；一旦，即失谐，放大器的增益将迅 速下降。 9 图 3-2-2 单调谐放大器的幅频特性曲线 1）谐振频率 其中，是回路总电容，为三极管输出电容和负载电容折合到 LC 回路两端 的等效电容与回路电容 C 之和。改变 L 和都改变谐振频率，即进行调谐。在 实际电路中，常采用调节中周的磁心来改变电感量 L，以达到调谐的目的。 2）通频带 其中，为 LC 回路的有载品质因素。其值与回路自身有关，还与电路特性 有关。可表示为 其中，为 LC 谐振回路的总电阻。由上两式可知，改变的值，就会 发生变化，通频带也将随之改变。在实际电路中，常采用在 LC 回路两端并联电 阻的办法，来降低调谐回路的有载品质因素的值，以达到扩展放大器通频带 的目的。 3） 选择性 矩形系数定义为：20dB 带宽与 3dB 带宽之比 对于理想谐振回路，其矩形系数为 1；但对于实际并联谐振回路，不论其 值为多大，也不论其谐振频率高低，它的矩形系数为 9.95，即近似为 10， 远大于 1，则说明单个并联谐振回路的谐振曲线与理想谐振特性相差甚远，选 择性较差。故单调谐放大器的选择性较差。 10 3、电路设计 3.1 衰减器电路设计 根据衰减器设计方案中的计算方法，计算出衰减器中的每个参数。衰减器电路 见附表 1-1 3.2 谐振放大器电路设计 根据放大器设计方案三中的计算方法，计算出谐振放大器中的每个参数。谐振 放大器电路见附表 1-2 4、测试方案与测试结果 41 测试方法与仪器 先用信号源把一个电压振幅为 5mv 正弦信号输入给衰减器输入端，按照题目各 项要求在不同频率点观察输出波形，测量电压值，计算衰减量。然后将经衰减 后的信号输入给 LC 谐振放大器，按照题目各项要求在不同的频率点观察输出波 形，测量输出电压值，然后计算电压增益，测出输出电压最大时的放大器谐振 频率 f0 测试仪器：信号源发生器 100mHz-10MHz 4.2 测试结果及分析 （1）基本要求 衰减器的测试：信号发生器输出幅值为 5mv 的正弦波形，观察输入/输出电压 波形。 输入电压被测频率点/MHz输出电压/uv电压衰减/dB 14.74940 155040 15.35340 5mV 15.55440