LC谐振放大器设计报告(2)

1、LC 谐振放大器2014组员：年 7 月 21 日6本系统以低噪声晶体三极管放大电路和 LC选频网络组合构成LC谐振放 大器作为核心电路，由前级衰减器，后级LC谐振放大电路和自动增益控制（AGC 电路组成。系统能将小于5mV的小信号衰减40dB,再通过中心频率f0=15M 的LC谐振放大器将增益提高80dB以上，同时后级加上 AGC电路对40dB的 电压范围实现自动控制功能。整个系统采用低压 3.6V供电，功耗小于360mW 工作稳定，外观漂亮。关键词：衰减器C LC 选频放大器AGC低功耗目 录1系统方案41.1 设计要求41.2 衰减部分论证与选择 51.3 LC谐振选频放大部分的论证与选

2、择 51.4 AGC电路的论证与选择 52系统理论分析与计算 52.1 LC选频放大部分的分析 62.2 LC选频放大部分的计算 72.2.1 LC谐振放大计算 72.2.2 放大增益的计算 82.2.3 谐振曲线82.2.4 LC谐振放大器的通频带的计算 92.2.5 放大器的矩形系数的计算 92.2.6 谐振回路参数的取值103电路设计102.2.7 LC谐振放大器总体框图 102.2.8 LC谐振放大器衰减电路原理图 102.2.9 LC谐振放大器选频放大框图与电路原理图 102.2.10 AGC电路原理图114测试方案与测试结果 124.1 测试方案124.2 测试条件与仪器124.3

3、 测试结果及分析 134.3.1 理论结果（图示）134.3.2 测试结果（数据） 134.3.3 测试分析与结论 13附录：电路原理图141系统方案1.1设计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。电路框图如下。基本要求(1)衰减器指标：衰减量40±2dB,特性阻抗50Q,频带与放大器相适应。(2)放大器指标：a) 谐振频率：fo =15MHz;允许偏差± 100kHz ;b) 增益：不小于60dB;c) -3dB带宽：2Af0.7 =300kHz ;带内波动不大于2dB ;d) 输入电阻：Rin =50。；

4、e)失真：负载电阻为200Q,输出电压1V时，波形无明显失真。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)电品&0 AGC控制范围大于40 dB。AGC 控制范围为 2010g( Vomin/Vimin) 2010g( Vomax/ Vimax ) (dB)。(4)其他。1.2 信号衰减部分的论证与选择方案一：采用 VCA810芯片对信号进行衰减，VCA890芯片的放大范围为-40dB+40dB,低输入噪声电压只有2.4nv,恒定带宽达到35MHZ,满足题目要 求

5、。方案二：用阻容式衰减器。在电阻衰减器的基础上加上补偿电容，使衰减器 在高频信号上的衰减倍数不会发生很大的变化，可以稳定在一个小的范围之内，适当调节补偿电容就可以达到题目要求，故本设计采用该方案。1.3 LC 谐振选频放大部分的论证与选择方案一：使用2N2222低噪声三极管LC谐振放大电路进行放大，这样可以对每级选频网路的中心频率进行控制，从而调整前后级因阻抗匹配存在的频率偏移，且对同频带宽经行精确调整。方案二：采用LC并联谐振电路进行15MH力心频率的选择，采用低功耗芯片进 行放大。查资料得到OPA890（氐功耗芯片能在3.6V单电源供电下进行信号放大， 信号放大增益为-40dB40dB，信

6、号增益无法达到要求60dB,考虑到OPA89曲片 难得买到、成本高以及时间来不及，故选择方案一。1.4 AGC 电路的论证与选择方案一：采用三极管共基极放大，利用电压反馈到发射级上，优点是低功耗，易于操作。但当接入反馈信号后，在输入信后稍大时影响放大器三极管的静态工作点从而导致负半波失真，故不采用。方案二：采用可调增益的运算放大器AD8045,利用数字电位器改变放大倍数（放大倍数低于 1 ） ，该方案好处是设计简单，但是运放功耗较大，难以满足题目要求，故不采用。方案三： 选择检波二极管检波输出信号运算放大器进行放大。 例如， 利用检波二极管实现检波，输出信号。并使用 LM358 运算放大器进行

7、放大，再利用电压反馈到基极上，改变静态工作点，从而改变放大倍数，该方案同时满足低功耗，易于操作等特点， 综合题目要求、 电路复杂性与功耗等因素， 可选择使用该方案。2 系统理论分析与计算2.1 LC 选频放大部分的分析2.1.1 高频小信号放大器的特点：（1）频率较高中心频率一般在几百kHzlJ几百MH频带宽度在几KH左IJ几十MHz 故必须用选频网络。（ 2）小信号信号较小故工作在线性范围内（ 甲类放大器） 即工作在线形放大状态。（ 3） 采用谐振回路作负载， 即对靠近谐振频率附近的信号有较大的增益， 对远离谐振频率附近的信号其增益迅速下降，即具有选频放大作用。2.1.2 高频小信号调谐放大

8、器简述：高频小信号放大器的功用就是无失真的放大某一频率范围内的信号。按其频带宽度可以分为窄带和宽带放大器，而最常用的是窄带放大器，它是以各种选 频电路作负载，兼具阻抗变换和选频滤波功能。对高频小信号放大器的基本要求 是：(1)增益要高，即放大倍数要大。(2)频率选择性要好，即选择所需信号和抑制无用信号的能力要强，通常用 Q 值来表示，其频率特性曲线如图-1所示，带宽BW=f2-f1= 2 Af0.7 ,品质因数 Q=fo/2 A f0.7.(3)工作稳定可靠，即要求放大器的性能尽可能地不受温度、电源电压等外界 因素变化的影响，内部噪声要小，特别是不产生自激，加入负反馈可以改善放大 器的性能。图

9、4反馈导纳对放大器谐振曲线的影响(4)前后级之间的阻抗匹配，即把各级联接起来之后仍有较大的增益，同时, 各级之间不能产生明显的相互干扰。2.1.3 谐振频率的确定高频放大器制作中最关键也是最难的就是选取恰当的电感和电容值，使电 路谐振。谐振时有C=1/cdL,通过计算可以确定LC勺值，但实际电路与理论计 算往往相差很大，甚至能相差十几倍到几十倍，这就需要一定的操作技巧。多次 实验表明，实际振荡频率一般小于计算的频率，这就要用调节的法来确定放大器 的谐振频率。2.2 LC选频放大部分的计算2 .2.1 LC谐振放大计算高频小信号调谐放大器的电路基本相同，以接受天线端及高频小信号放大器 为例（如图

10、 所示）。其中变压器T2的初级线圈为接收机前端选频网络的一部 分，经次级线圈耦合后作为放大器的输入信号， 输出端也采用变压器耦合方式来 实现选频和输出阻抗匹配。调谐放大器的高频等效电路Au0,18电路中并联振荡回路两端间的阻抗为:其中R是和电感串联的电阻，由于LRC1Cl _CR 1L 1R CRl>>R3止匕有:R j L 4C则并联回路两端电压为：I gmIomVmY 、G G B BomCR所以，当c=i/l时vmr最大值，即回路谐振时输出电压最大。2.2.2 放大增益的计算放大器输出电压V O （或功率p O）与输入电压v i （或功率p i）之比，称 为放大器的增益或放大

11、倍数，用 A v （或A p ）表示（有时以dB数计算）。4=2010g2.2.3 谐振曲线放大器的谐振曲线是表示放大器的相对电压增益与输入信号频率的关系。. P1P2yfeA/g21 jQL 0由上式可得:AuAu01 jQl对谐振放大器来讲，通常讨论的 近变化，则：fofff与f 0相差不大，可认为f在f 0 附Au式中，f f fAu0 1 jQL 2-f f 0,称为一般失谐。令Ql2 f/f。，称为广义失谐。代入上式得:Au 1Au0 1 j取模得：Au 12.2.4 LC谐振放大器的通频带的计算放大器的电压增益下降到最大值的 0.7 （即1/也）倍时，所对应的频率 范围称为放大器的

12、通频带，用BW=2Af 0.7表示，如图2-1 。2Af 0.7也称为3分 贝带宽。由于放大器所放大的一般都是已调制的信号，已调制的信号都包含一定的频 谱宽度，所以放大器必须有一定的通频带，以便让必要的信号中的频谱分量通过 放大器。与谐振回路相同，放大器的通频带决定于回路的形式和回路的等效品质因数 Ql O此外，放大器的总通频带，随着级数的增加而变窄。并且，通频带愈宽， 放大器的增益愈小。. I4p11 js4j>102.2.5 放大器的矩形系数的计算矩形系数的定义:其中,2 f a1是父。Kr012 %2 fo.70.1时所对应的频带宽度，即0.1Ql2 f0.1f 0-100 12

13、f0.99f0/QL根据矩形系数的定义得:K r01/992.2.6 谐振回路参数的取值(一)根据要求应由谐振频率选取电感 L,中心频率f0=15MHz取电容为100pF 由公式得L=1.12uH,根据实 L1物取可调的绕制电感。(2 f0)C3电路设计3.1 系统总体框图系统总体框图如图所示:LC谐振放大器总体框图3.2 LC谐振放大器衰减电路原理图3.3 LC谐振放大器选频放大框图与电路原理图1、LC谐振放大器选频放大子系统框图Vi1郎H宠题 LC谐振电路信号放大共基 根放大电路险0、V0图12 LC谐振放大器一级选频放大框图图13 LC谐振放大器三级选频放大框图142 .LC谐振放大器三

14、级选频放大电路Cl1口吐的耶信 KtyiA100 pFiconC3 IDOnFR4 3 oca1nF钻匕1H4A Key=A-CIEIIicopF3.4 AGC电路原理图信号经过二极管检波后，输入运算放大器 LM358,进行直流放大，之后经过LM358N!行差动反相放大后反馈到三极管基极上，改变静态工作LM358N36V5。R30 100kQ Key=A臼动增益控制电路4测试方案与测试结果4.1测试方案硬件测试：1）检查实物电路的链接与原理图是否一致2）检查线路焊接是否有虚焊或短路3）将信号输入，用示波器检测是否有信号输出，检测输出信号 是否与预测结果接近4）对电路进行微调，记下测试结果，分析

15、数据4.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同， 并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表， 扫描仪4.3 测试结果及分析4.3.1 理论测试结果,LKCaiMHi| E.D&ld*t * ttX « -细 LC谐振放大器三级中心频率由图可知，LC谐振放大器三级中心频率理论值为 15Mhz;符合要求。4.3.2 测试结果（数据）测试结果好下表所示：表1衰减输出端电压mv频率Mhz中心频率Mhz通频带宽Khz对 0.05mv信号增益dB信号输入端无衰减输出端三级LC放 大输出端4.3.3 测试分析与结论根据上述测试数据，测试结果与预测结果很接近，故满足了题设要求，由 此可以得出以下结论：1、衰减器衰减增益为-41.2dB满足要求-40