2024年全国大学生电子设计竞赛论文模

PAGE2024年LC谐振放大器〔D题〕【02组】摘要本设计是采用谐振回路〔串、并联及耦合回路〕作负载的放大器，很好的满足了题目要求，对频率分辨力、动态范围及精度都做了较大的扩展。衰减器选用无源电阻网络在构建时候选用千分之一精密电阻，有效提高了衰减量精确度及减少温漂影响，放大局部选用了三极管。该设计报告对LC谐振放大器有关理论知识做了一些简要的介绍，然后在性能指标的分析根底上进行单元电路设计，最后得出整体电路图，在软件中仿真验证是否到达技术要求，对仿真结果进行分析，最后总结课程体会。该系统设计新颖、性价比高。关键词:衰减谐振频率频带目录1系统方案 11.1衰减器选择 11.2LC谐振放大器选择 12系统理论分析与计算 12.1电路原理的分析 12.1.1电路根本原理 12.1.2LC谐振放大器主要质量指标 22.1.3LC谐振放大电路的特性曲线 32.2影响谐振放大器的稳定因素 32.2.1影响放大器稳定的主要因素 32.2.2反响对谐振放大器的影响 42.2.3谐振放大器稳定的措施 52.3LC谐振放大电路的有关计算计算 52.3.1设置静态工作点 52.3.2计算谐振回路参数 62.3.3确定输入耦合回路及高频滤波电容 63电路与程序设计 63.1电路的设计 63.1.1系统总体框图 63.1.2衰减器电路原理图 63.1.3LC谐振放大器电路原理图 73.1.4电源 74测试方案与测试结果 84.1测试方案 84.2测试条件与仪器 94.3测试结果及分析 94.3.1测试结果(数据) 94.3.2测试分析与结论 9参考文献………………11PAGEPAGE12024年LC谐振放大器〔D题〕【02组】1系统方案本系统主要由衰减器模块、LC谐振放大器模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1衰减器模块的选择衰减器选用无源电阻网络，题目中提到“频带与放大器相适应〞，可见，如假设选用非线衰减网络，那么一定要求3dB带宽足够，特性阻抗保持50欧，这样很难到达。所以在构建时候选用了千分之一精密电阻，这样可以有效地提高衰减量精确度及减少温漂影响。衰减器的频率特性要满足系统的频率范围要求，在频率范围内衰减器的衰减量应和频率无关。因此，选用电阻元件组成。1.2LC谐振放大器选择由于放大器局部使用3.6V稳压电源，功率不超过360mW，意味着电流最大100mA，所以使用芯片要慎重考虑，我们选用了三极管，但是功耗要低于100mA的话，一定要减少三极管的数量，根据经验不可能出现太高阶多级放大。2系统理论分析与计算2.1电路的根本原理的分析2.1.1电路的根本原理图1LC谐振放大器图1所示的电路为共发射极接法的晶体管小信号单极调谐回路谐振放大器。它不仅要放大高频信号，而且还有一定的选频作用，因此，晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。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或相位。晶体管的静态工作点由电阻,及决定，其计算方法与低频单管放大器相同。图2谐振放大器的高频等效电路2.1.2LC谐振放大器主要质量指标增益：放大器输出电压与输入电压之比，我们希望每级放大器的增益尽量大，使满足增益时级数尽量少，放大器增益的大小，取决于所用的晶体管，要求的通频带宽，是否良好的匹配和稳定的工作。通频带：放大器的通频带取决于负载回路的形式和回路的等效品质因数Q1。此外，放大器的总通频带随着放大级数的增加而变窄。并且，通频带越宽，放大器的增益就越小，两者是相互矛盾的。选择性：放大器从含有各种不同频率的信号的总和中选出有用信号，排除有害信号。选择性有两个根本指标-矩形系数和抑制比。工作稳定性：工作稳定性是指放大器的工作状态〔直流偏置〕晶体管参数，电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特征的稳定程度。一般的不稳定变化是增益变化，中心偏移，通频带变宽，谐振曲线变形等。噪声系数：在放大器中噪声系数总是有害无益的，因而应力求它的噪声系数越小越好，即要求噪声系数接近1.2.1.3LC谐振放大电路的特性曲线图3谐振放大器典型幅频特性示意图由于回路是些后电压放大倍数下降，所以放大器的频率特性曲线如图2所示，由式可知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带，同时又能提高放大器的电压增益。2.2影响谐振放大器的稳定因素2.2.1影响放大器稳定的主要因素放大器的工作稳定性是重要的质量指标之一，放大器的输入导纳在前面讨论Avo时忽略了内部反响Yre，由于晶体管不是理想的单向化元器件，存在着反向传输导纳Yre,输出电压反响到输入端引起了输入电流和输入阻抗变化，在某些特定的频率上，可能使放大器呈现负阻，甚至使放大器失去性能，处于自激振荡状态，这是绝对不允许的，晶体管内部负反响对频率特性的影响如图图4反响导纳对放大器谐振曲线的影响放大器的工作稳定性是指放大器的工作状态、晶体管的参数、等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定程度。振放大器的稳定行不仅与内部反响有关，实际上实际的制作电路中，还要考虑反响引起的不稳定性。应用电路中，放大器外部的寄生反响，都是以电磁耦合的方式出现的，引起电磁干扰必然存在发射电磁干扰的源，能接收干扰的感应装置，以及两者之间的耦合途径。由于频率高的缘故，干扰和接收装置几乎是不可能防止的，关键是弄清楚耦合途径以及如何去截断它。在其放大器组成的放大电路中，随着放大器的级联，总的频带明显减小，为保证一定的通频带，单级通频需加宽，单级增益就下降。而组成的单调谐和双调谐回路不能很好的解决总增益和总带宽的问题，参差调谐电路就是其中最好的方法，必须采用各种方法是电路保持稳定。2.2.2反响对谐振放大器的影响在放大器的反响中，反响的途径有两条：一是晶体管内部的反响，二是晶体管外部干扰。自激在内部反响中，自激是最重要的原因。放大器的输入阻抗等效电路图如图图5放大器等效输入端回路反响导纳BF，其中gF改变了回路的QL值,bF引起回路失谐。gF是频率的函数，在某些频率上可能为负值，即呈负电导性，它使回路的总电导减小，QL值增加，放大器的通频带减小，增益也因损耗的减少而增加。即负电导gF供给回路能量，出现正反响，当gF=gs+gie那么回路总电导g=0，放大器失去放大性能，处于自激振荡工作状态。电磁干扰电磁干扰的耦合途径主要有以下几种：1.电容性耦合：导线与导线之间，导线与器件之间，器件与器件之间均存在着分布电容。当工作频率到达一定程度时，这些电容会起作用，信号从后级耦合到前级。2.电感性耦合：导线与导线之间，导线与电感之间，电感与电感之间，除分布电容外，在高频情况下，还存在互感。流经导线或电感的后级高频电流产生交变磁场，可以与前级回路产生不必要的耦合。3.公共电阻耦合：当前后级信号流经同一公共导线或电阻时，后级电流会产生电压，从而对前级产生影响。4.辐射耦合：当工作频率到达一定程度时，后级的高频信号可以通过电磁辐射的方式耦合到前级。2.2.3.谐振放大器稳定的措施两种解决方法一是从晶体管本身想方法，因为Yre主要由Cb′c决定，从晶体管制造工艺着手，减少Cb′c到达减小反向传输导纳Yre的目的。二是在电路上想方法把Yre的作用抵消或减小。也就是说，从电路上设法消除晶体管的反向传输作用，使它变为单向器件。单向化的方法有两种，既是中和法和失配法。2.3LC谐振放大电路的有关计算2.3.1设置静态工作点在谐振放大器中，，，2.3.2计算谐振回路参数发射结电导：=1.2ms晶体管跨导：=61.5ms4个y参数：输入导纳：输出导纳：正向传输导纳：反向传输导纳：2.3.3确定输入耦合回路及高频滤波电容高频小信号谐振放大器的输入耦合回路通常是指变压器耦合的谐振回路。由于输入变压器原边谐振回路的谐振频率与放大器谐振回路的谐振频率相等，也可以直接采用电容耦合。高频耦合电容一般选择瓷片电容。3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如图下所示图6系统总体框图3.1.2衰减器电路原理图图7衰减器电路原理图3.1.3LC谐振放大器电路原理图(本设计采用的是两级放大器)图8LC谐振放大器电路原理图3.1.4电源电源由变压局部、滤波局部、稳压局部组成。为整个系统提供3.7V电压，确保电路的正常稳定工作。具体电路图如下：4测试方案与测试结果4.1测试方案图9高频谐振放大电路的测试电路将电路连接好后，先调整放大器的静态工作点，然后再调谐振回路使其谐振。调整静态工作点的方法是，不加输入信号〔=0〕，将的左端接地，将谐振回路的电容C开路，这时用万用表测量电阻两端的电压，调整电阻使=记下此时电路的值及静态工作点、、及。调谐振回路使其谐振的方法是，按照图9所示的测试电路接入电压表、，直流毫安表mA及示波器。再将信号发生器的输出频率置于15MHz，输出电压=5mA,为防止谐振回路失谐引起的高反向电压损坏晶体管，可先将电源电压+降低。调输出耦合变压器的磁芯使回路谐振，即电压表的指示值到达最大，毫安表mA的指示值为最小且输出波形无明显失真。回路处于谐振状态后，再将电源电压恢复。表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标有谐振频率，谐振电压放大倍数、放大器的通频带BW及选择性〔通常用矩形系数来表示〕等，采用上图所示的测试电路可以粗侧各项指标，假设要求测量准确，必要时应采用精度较高的高频测量仪器。图中输入信号由高频信号发生器提供，高频电压表分别用于测量放大器的输入电压与输出电压的值。直流毫安表mA用于测量放大器的集电极电流的值，示波器监测负载两端的输出波形。谐振放大器的各项性能指标及测量方法如下。谐振频率：对于图所示电路〔也为分析以下指标的电路〕，的表达式为式中，L为谐振回路电感线圈的电感量；为谐振回路的总电容，的表达式为式中，为晶体管的输出电容；为晶体管的输入电容。谐振频率的测量步骤是，首先使高频信号发生器的输出频率为，输出电压为几毫伏；然后调谐集电极回路即改变C或电感线圈L的磁芯位置使回路谐振。LC并联回路谐振时，直流毫安表mA的指示值为最小〔当放大器工作在丙状态时〕，电压表的指标值到达最大，且输出波形无明显失真。这时回路的谐振频率就等于信号发生器的输出频率。由于分布参数的影响，有时谐振回路的输出电流的最小值与输出电压的最大值不一定同时出现，这时视电压表的指示值到达最大值时的状态为谐振回路处于谐振状态。电压增益：表达式为：。要注意的是，本身也是一个复数，所以谐振时输出电压与输入电压的相位差为。只有当工作频率较低时，，与的相位差才等于。的测量电路如上图所示，测量条件是放大器的谐振回路处于谐振状态。当回路谐振时分别记下输出电压表的读数及输入端电压表的读数，那么电压放大倍数由下式计算或通频带：其表达式为BW=式中，为谐振回路的有载品质因数。矩形系数：谐振放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数来表示，如图3所示，矩形系数为电压放大倍数下降到时对应的频率范围与电压放大倍数下降到时对应的频率偏移之比，即，此式说明，矩形系数接近于1，邻近波道的选择性越好，滤波干扰信号的能力就越强。一般单级谐振放大器的选择性较差，因其矩形系数远大于1，为提高放大器的选择性，通常采用多级放大器。本设计采用两级。4.2测试条件与仪器测试条件：检查屡次，仿真电路