LC谐振放大器的设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上LC谐振放大器的设计摘要：本文是基于LC高频小信号放大电路的设计，它由前级衰减电路、LC谐振放大电路、多级增益放大电路、电源电路组成。其中前级衰减电路用型电阻网络实现40dB的衰减；核心LC谐振放大器采用三极管2SC1815构成的单调谐回路选频放大器，实现15MHz的谐振频率和300KHz的带宽调节，增益放大电路由SGM8067组成的三级同相放大电路实现15MHz带宽60dB放大倍数的放大，整个LC放大电路的带内波动不大于2dB；电路所需的3.6V稳定电压由锂电池18650提供。本设计很好实现谐振频率15MHz、带宽300KHz、增益76dB以及带内波动小于1dB的谐

2、振放大电路，并且本设计采用高频三极管2SC1815和高速高带宽运算放大器SGM8067联合组成LC谐振放大电路，比单纯用高频三极管组成的多级LC谐振放大电路要简单，调试起来也很容易。关键词：形网络；LC谐振；SGM8067专心-专注-专业Design of the LC resonant amplifierAbstract: This paper is based on LC high frequency amplifier circuit design of small signal, it by the former stage attenuation circuit, LC harmon

3、ic oscillator amplifier circuit, multi-level amplifier circuit, the power supply circuit. The top level with attenuation circuit type resistance network realization of 40 dB attenuation; Core LC resonance with transistor amplifier 2 SC1815 consists of the single tuned circuit choose frequency amplif

4、ier, realize the resonance frequency of the 15 MHz of bandwidth and 300 KHz regulation, gain the SGM8067 amplifier circuit of the same phase 3 amplifier circuit realize 15 MHz bandwidth 60 dB magnification magnification, the whole LC amplifier circuit with the fluctuated in not greater than 2 dB; Ci

5、rcuit of 3.6 V voltage stability needed by the lithium battery 18650 provides. This design is very good realize the resonance frequency 15, 300 MHz bandwidth, gain 76 dB KHz and with less than 1 dB fluctuated in resonant amplifying circuit and the design USES high frequency transistor 2 SC1815 and h

6、igh speed high bandwidth operational amplifier SGM8067 together, LC resonance amplifier circuit, than pure with high frequency transistor composed of multilevel LC resonance amplifier circuit is simple, it is easy to debug.目 录1 绪论1.1 课题意义与背景在无线通信中，发射与接收的信号应当适合于空间传输。所以，被通信设备处理和传输的信号是经过调制处理过的高频信号，这种信号

7、具有窄带特性。而且，通过长距离的通信传输，信号受到衰减和干扰，到达接收设备的信号是非常弱的高频窄带信号，在做进一步处理之前，应当经过放大和限制干扰的处理。这就需要通过高频小信号放大器来完成。这种小信号放大器是一种谐振放大器。高频小信号放大器广泛用于广播、电视、通信、测量仪器等设备中。高频小信号放大器可分为两类：一类是以谐振回路为负载的谐振放大器；另一类是以滤波器为负载的集中选频放大器。它们的主要功能都是从接收的众多电信号中，选出有用信号并加以放大，同时对无用信号、干扰信号、噪声信号进行抑制，以提高接收信号的质量和抗干扰能力。高频调谐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

8、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。高频信号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频率选择；另加其它电路，实现放大器与前后级的阻抗匹配。1.2 高频小信号调谐放大器的原理分析高频小信号放大器一般用于放大微弱的高频信号,此类放大器应具备如下基本特性:只允许所需的信号通过,即应具有较高的选择性。放大器的增益要足够大。放大器工作状态应稳定且产生的噪声要小。放大器应具有一定的通频带宽度。 图1 单调谐放大器电路 典型的单

9、调谐谐振放大器原理如图1，图中RB1,RB2,RE用以保证晶体管工作于放大区域，从而放大器工作于甲类，CE是RE的旁路电容，C1,C2是输入输出耦合电容，L,C是谐振电路，R是集电极（交流）电阻，他决定了回路的Q值，带宽。为了减轻负载对回路的的影响，输出采用了部分接入的方式。2 系统的整体方案论证与分析2.1 系统设计的功能目标本系统的基本技术参数如下：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。（1）衰减器指标：衰减量40±2dB，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

10、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 系统设计方案分析本系统的衰减器采用型网络衰减，它与型网络一样可以实现信号衰减并保持输入阻抗不变。并且在衰减的分贝数较大时，准确度能够较好的保证。由于题目要求衰减100倍，应此我们采用型网络作为该题的衰减电路；LC谐振放大器选用分立元件，分立元件电路相对会比较复杂一点

11、，但是，分立元件的功率要小很多，增益的调节范围会比较大，元件基本都是常用的元器件，获取比较方便，价格也会比较低；电源用锂电池，纹波小。系统框图如图2所示图2 系统框图3 硬件电路设计3.1 衰减器的设计衰减器可以由三个不同值的电阻以T型或型方式组成图3 T型结构图4 型结构Z1、Z2、Z3分别代表三个不同阻值的电阻。由于输入阻抗(ZIN)、输出阻抗(ZOUT)以及衰减量(A)为三个给定的数值，在图中的两个结构中分别有3个未知数，因此恰好有唯一解。图5 T型衰减器根据图5对T型网络的设计公式进行推导，首先因为从输入端看进去的输入电阻应该等于，所以可得 3-1又根据电路输入电压和输出电压的关系可得

12、 3-2联立以上两个方程可解得 3-3同理可得型网络的计算公式为 3-4由T型衰减器的原理计算可知，当衰减的分贝数较大时，在T型衰减器中将很小，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。对于型衰减器根据计算可得，在50，衰减40dB的要求下，2.5K，51，在现有的条件下采用精度为0.1%的金属膜电阻可以达到要求。因此，本文采用的是型衰减器。3.2 LC谐振电路3.2.1 LC谐振电路的原理常见的LC振荡电路中的选频网络多采用LC并联网络，如图6所示。图6 LC并联网络谐振频率为 3-5在信号频率较低时，电容容抗很大，网络呈感性；信号品路较高时，电感的感抗很大，网络

13、呈容性；只有当时，网络才呈阻性，且阻抗无穷大。这时电路产生电流谐振，电容的电场能转换成磁场能，而电感的磁场能转换成电场能，两种能量相互转换。若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载，如图7所示图7 选频放大电路则电路的电压放大倍数 3-6根据LC并联网络的频率特性，当时，电压放大的数值最大，且无附加相移。对于其余频率的信号，电压放大倍数不但数值减小而且有附加相依。电路具有选频特性，故称之为选频放大电路。3.2.2 LC谐振电路的参数计算该放大电路的静态工作点主要由和确定，利用这种分压偏置方式可以很好的稳定工作点。对于小信号高频放大，为防止出现在波形失真本放大器工作电流一 般取在2mA左右，

14、取。分压电阻可利用式求得，这里取电阻18。而，考虑调整静态电流的方便电路用47电阻。单谐振回路中取，则。三极管2SC1815在时的Y参数可通过查手册获得，因此通过计算公式可求得。3.2.3 LC谐振电路设计如图7所示，简单的的晶体管谐振放大器。图中，是直流偏置电阻；R0是为提高工作点的温度稳定性而接入的直流反馈电阻；C1，C0是信号频率的旁路电容；LC并联谐振回路构成了晶体管BG的集电极负载阻抗。输入信号Vs经过变压器耦合到BG的基射之间，放大后再由变压器耦合到外接导纳负载Yl上。谐振放大器的特点是晶体管的集电极负载不是纯电阻，而是由电感电容组成的并联谐振回路。因此我们分析LC并联谐振回路的基

15、本特性和主要参数。图8电感耦合LC谐振放大电路图9 并联LC网络图8集电极负载的等效电路如图9所示。 分别表示电感和电容上的等效电阻。通常有,。回路两端的总阻抗为 3-7 3-8当时，即当时，回路达到谐振此时，信号的角频率W=W0称为回路的固有谐振角频率，其值由回路的L，C决定。回路谐振是，器阻抗为最大且是纯电阻。这个阻抗称为“谐振阻抗”。符号表示为： 3-9从上式不难看出，当,即X>0，这说明回路阻抗呈容性；当,即X<0，这说明回路阻抗呈感性；它们的阻值都小于谐振的阻抗。回路谐振时，电感和电容的电抗相等，这个阻抗成为回路特性阻抗，用符号表示 3-10品质因数图10Q称为回路的“品

16、质因数”，它标志着谐振回路质量的优劣。所谓质量的优劣，包含两层意义：其一是说回路谐振时阻抗的大小，当回路特性阻抗给定后，谐振阻抗就完全由回路的品质因数Q决定。Q值越大（即回路的等效损耗电阻r越小），则谐振阻抗也越大，回路质量就越好。反之，质量就差；其二是说回路阻抗Z随讯号角频率衰减的速度。Q值越大，则回路阻抗Z随讯号角频率衰减就越快，回路质量就越好。反之，质量就差。如图所示，特性阻抗和谐振频率相同（=1k，=465kHz），但品质因数不同（分别为）的两个谐振回路的回路阻抗的模数|Z|随角频率而变化的曲线（此曲线亦称回路的谐振曲线）。由图可知，对于的回路，其谐振阻抗，而对于的回路，其谐振阻抗只有

17、；此外，从曲线形状显而易见，品质因数大的回路，其阻抗|Z|随角频率衰减的速度比品质因数小的回路要快得多，亦即谐振曲线越尖锐。除了用品质因数来描述谐振回路的特性外，还常用到通频带的概念。所谓振谐回路的通频带，是指回路阻抗的模| Z|和其最大值Roe之比d(|Z|/Roe)下降到某一给定值时所对应的那段频带宽度，一般用符号B表示。如无特别指明，通频带B指的是回路阻抗| Z|下降到时（即）的那段频带宽度。对图的回路，其通频带；而的回路，器通频带。这说明了，回路的品质因数越高，谐振曲线越尖锐，通频带越窄。反之，品质因数越低，则谐振曲线越平坦，通频带越宽。LC谐振电路是调谐放大器(又称选频器)和LC自激

18、振荡放大器的主要组成部分。谐振电路在选频器中的作用是在众多接收来的不同频率的正弦信号中,把信号的幅值提高Q (Q 为品质因数)并经变压器耦合到下一级;而LC自激振荡器中的作用是在本身产生的多个不同频率的正弦信号中,把 信号的幅值提高Q且经变压器反馈到三极管的输入端继续放大; 并最终把幅值足够大的 信号耦合到下一级。可见欲提高选频器的选频能力和增加LC自激振荡器的起振能力,就必须增大Q值。由式和知,提高磁导率和降低LC回路的电阻R 是提高Q值最有效的办法( l、S 和C均受结构等因素限制难以得到大幅改变,而提高匝数N 的同时会使R 增加) ,前者靠紧密耦合的铁芯变压器可得以解决, 而后者则受外界

19、因素影响较大,可采用变压器中间抽头的办法加以解决。3.3 增益放大电路3.3.1 双电源同相比例运算电路如图11所示，电路引入了电压串联负反馈，故可以认为输入电阻为无穷大，输出电阻为零。即考虑集成运放参数的影响，输入电阻也可达以上。根据“虚短”和“虚断”的概念，集成运放的净输入电压为零，即 3-11说明集成运放有共模输入电压。图11双电源同相比例运算电路经输入电流为零，因而，即 3-12 3-13解得 3-14上式表明与同相且大于应当指出，虽然同相比例运算电路具有高输入电阻、低输出电阻的优点，但因为集成运放有共模输入，所以为了提高运算精度，应当选用共模抑制比的集成运放。3.3.2 单电源运算放

20、大电路大多数集成运算放大器电略部采用正、负对称的双电源供电，在只有一组电源的情况下，集成运算放大器也能正常工作。图14所示为两种采用单电源供电的供电电路。采用单电源对集成这算放大器供电的常用方法是，把集成运算放大器两输入端电位抬高（且通常抬高至电源电压的一半，即），抬高后的这个电位就相当于双电源供电时的“地”电位，因此在静态工作时，输出端的电位也将等于两输入端的静态电位，即。图中，集成运算放大器两输入端抬高的电压由R4、R5对电源分压后产生，约等于；C2为滤波电容；C1和C3分别为输入、输出隔直电容。为了减小输入失调电流的影响，图12（a）中R1应等于R2与R4的并联值，图12（b）中R1应等

21、于R2与R3的并联值。图12（a）为反相输入方式，电路的交流放大倍数为R6/R5=100倍；图12（b）为同相输入方式，电路的交流放大倍数为R3/R2=10倍。图12（a）图12 （b）3.3.3 SGM8067基本资料产品型号:通道数:1关断功能:YES工作电压Max. (V):5.500工作电压Min. (V):2.500每通道IQ(典型值)(uA):16000带宽GBW(典型值)(MHz):1500转换速率(典型值)(V/us):500输入失调电压(25)(Max.)(mV):8失调漂移(典型值)(uV/):0输入偏置电流(Max.)(pA):6共模抑制比(Min.)(dB):66噪声电

22、压(典型值):单电源供电:Y满幅:In/Out封装/温度():SO-8/-40125描述: SGM8067是轨到轨输出电压反馈运算放大器。该产品具有很宽的共模输入电压和输出电压摆幅，使其可使用低至2.5V的单电源供电。SGM8067整体性能优良。它可以提供高达1.5GHz的带宽，并具有低功耗的特性，典型静态电流为16 mA/通道。SGM8067以其低失真和快速建立时间的特性，成为高速A/D和D/A转换器的理想选择。SGM8067有一个使能端，可使其静态电流下降至75A。这些特性使得SGM8067成为对尺寸和功耗要求比较高的手持设备和电池供电设备的最佳器件。另外，其温度范围达到延长工业标准40&

23、#160;到 +125。3.4 增益放大电路的设计 增益放大电路采用三级放大，第一级用SGM8067组成同相放大，第二级也是采用SGM8067组成同相放大，第三级还是用SGM8067组成同相，三级共同实现大约60dB的放大，电路如下图13所示。图133.5 电源电源设计要求自备，并非自制，锂电池，纹波爆小，因此选用18650锂电池。4 电路的仿真与测试4.1 电路基于multisim仿真衰减电路的仿真如下图16所示：图16 衰减电路的仿真通道A为输入端，通道B为输出端，图中所示两波形重合。放大倍数为 4-1即40dB符合题目所给衰减量40dB指标。谐振电路的仿真，其波特图如下图17所示，中心频

24、率为15MHz且增益为76dB。图17 谐振电路的波特图系统的输入输出波形的对比如图18所示， 根据系统用Multisim仿真得到的输入输出波形，从图中可以看出没有出现失真。图18 系统输入输出波形的对比4.2 系统的测试方案与数据分析4.2.1 测试仪器表1.1序号名称、型号、规格数量1TDS1001B-SC数字存储示波器12标准高频信号发生器13直流稳压电源14高频毫伏表15扫频仪16VC9807A数字万用表14.2.2 测试方案1连接电路，提供200负载。2.用标准高频信号发生器输入05mV，15MHz信号。3.利用高频毫伏表测量衰减器的衰减量；通过调节输入信号的频率，用示波器测出其幅值

25、大小。4.通过计算分析的到其谐振频率、增益、带宽等值。4.2.3 测试数据表2.1信号（mv） 输出（mv）频率（MHz）1234514.54.513.623.136.174.6814.78.417.128.940.475.5514.810.419.430.842.876.0114,911.320.633.144.676.4415.012.321.433.645.876.6515.111.521.132.345.976.5315.210.119.630.443.775.9915.38.61827.740.175.7815.54.914.323.136.774.665 结束语高频LC谐振放大器广

26、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。本设计在发挥部分之内，完成了衰减电路及放大增益电路的设计，中心频率等指标基本符合题目基本要求，同时利用Multisimt实现了高精度频率测量及仿真实验，并制作出实物。本系统采用以2SC1815三极管为中心的放大电路及型衰减网络电路，实现了衰减量达到39.77dB，特性阻抗50，且频带与放大器相适应放大指标，中心频率也能够很好的稳定在15MHz，放大增益可达76dB之多，输入内阻基本达到48.53及放大功能；在300KHz带宽范围内增益起伏2dB；同时，输出电压在一定范围内，波形

27、无明显失真。自制的基于稳压电源电路具有很高的效率。本系统从方案设计，理论计算，实际制作，软硬件调试等方面进行了紧张而又认真仔细的工作，实现了宽带直流放大系统。在理论设计计算方面，我们充分运用了我们所掌握的知识，力争做到更好。但在实际制作过程中，经常会卡在一些小问题上，说明了我们还是缺少实际的工程经验，导致加工工艺和板子的可靠性方面做得不是很好。通过此次设计，我获益匪浅，尤其对电子设计的整个制作流程和设计过程中遇到的问题有了深入的体会。如果在设计与制作中利用数模隔离、电源隔离、滤波和去耦等技术，不但能有效减少噪声和干扰的影响,同时还能提高系统的稳定性。在方案实施过程中，由于时间比较紧，来不及制版

28、，而实验板的结构受限，导致频率过高的时候会引入干扰。如果能在精确调整之后，将整体电路利用PCB开出电路板，减少连线引起的干扰，一定可以提高精度和性能。参考文献1 黄智伟，全国大学生电子设计竞赛系统设计M.北京：北京航空航天大学出版社,2007. 2 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. 3 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 . 4 阳昌汉.高频电子线路.哈尔滨：高等教育出版社，2006 . 5 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 . 6 黄智传. 全国大学生电子设计竞赛技能训练. 北京航天航空大学出版社.20077 全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编. 北京理工大学出版社.20078 . 全国大学生电子设计竞赛电路设计. .20069 张肃文、陆兆熊. 高频电子线路（第五版）.