F041LC谐振放大器报告文档格式.docx
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1.3LC谐振放大模块1
1.4自动增益模块2
2.单元电路设计.2
2.1电源模块2
2.2衰减器模块4
2.3LC谐振放大模块4
2.4自动增益模块5
3.系统测试.5
3.1测试仪器5
3.2测试方法5
3.3测试结果6
3.4测试分析6
4.结论.6
参考文献.6
附录.7
1.系统设计与方案论证
根据题目要求,系统主要实现的功能是在3.6V稳压电源供电,放大器输出接200负载电阻条件下,谐振在15MHz,-3dB带宽为300kHz,带内波动不大于2dB,放大器增益达到60dB,且功耗不超过360mW,完成低压、低功耗的LC谐振放大器。
系统可分为四个模块:
电源模块,衰减器模块,LC谐振放大模块,自动增益模块。
各模块方案设计如下:
1.1电源模块
方案一,使用3.6V锂电池供电。
锂电池具备高功率承受力,自放电率很低,纹波小,但是锂电池均存在安全性差,不能大电流放电。
方案二,制作开关电源供电,开关电源效率高,稳定性好,体积小,功率相对较小,相互干扰大,易产生高频干扰。
方案三,制作直流稳压电源供电,电源线路简单,纹波小,相互干扰小,但体积大,耗材多,效率低。
对比以上三种方案,方案一安全系数不高,方案三制作比方案二简单,故本设计选择方案三。
1.2衰减器模块
方案一,运用电阻分压网络如下图,信号输入电阻网络,50的电阻分1%的电压,则输入后级的信号衰减了100倍即40dB。
方案二,运用多级п型电阻匹配网络组合的衰减器,为适应后级放大器减少带波,设计前后级衰减38dB,中间带通衰减2dB。
比较以上两个方案,方案一虽然很简单易于实现,但题目中要求衰减频带与放大器相适应,3dB带宽要足够,特性阻抗保持50,这样很难达到,方案二虽然电路较为复杂,但可以很好的适应后级放大器的频带,故选用方案二。
1.3LC谐振放大模块
方案一,用单片集成放大器MC1590作小信号谐振放大,其输入由共射-共基电路构成差分电路,输出级由复合管差分电路构成,故内反馈很小,具有工作频率高、不易自激、性能稳定可靠、调整方便等优点,且有自动增益功能。
但芯片无法在题目要求的3.6V电源供电下工作。
方案二,前级滤波器+AD603可调增益宽带放大+C1906谐振放大,采用芯片AD603和利用反馈控制技术实现自动增益控制电路的设计,谐振放大作宽带放大的负载网络,调谐谐振频率在15MHz。
该电路虽简单,芯片要求电源5V,要芯片工作就要升压,比较麻烦。
方案三,用分立元件做多级单谐振回路谐振放大器,由于单谐调振放大器的增益不能满足要求,则采用多级单调谐振放大器级联,每级谐振回路均协调谐在同一频率上,该电路简单,但各级之间的耦合较难。
综合考虑三种方案的优缺点,以及一些客观条件,我们选择方案三来制作谐振放大器模块。
1.4自动增益模块
方案一:
采用AD8367芯片设计一个具有45dB控制范围的高性能可变增益放大器,输入信号从低频到500MHz带宽内增益均是以分贝为单位线性变化。
能够精确的增益控制,单片控制范围45dB,它既能配置应用于外加电压控制的传统的VGA模式,同时内部还集成了平方律检波器,因而也可工作于自动增益控制模式。
典型电路图如下图所示:
方案二,采用AD603芯片和利用反馈控制技术实现自动增益控制电路,利用可控增益放大器配以适当的外围电路,用反馈控制技术实现了自动增益控制的设计电路。
该电路增益调节而范围宽,频率响应带宽高,具有良好的性能。
比较以上两个方案,方案一外围电路较复杂,制作比较麻烦,方案二制作较简单,故本次设计选方案二。
2.单元电路设计
2.1电源模块
本设计采用稳压电源方案,电路图如下:
根据设计指标要求,该稳压电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路和指示电路等组成。
原理方框如下图3-1所示。
直流稳压电源的结构方框图
(1)变压器:
变压器的功能是将220V的交流电变换成整流电路所需要的低压交流电。
(2)整流电路:
整流电路是利用二极管的单向导电特性,将变压器的次级电压变换成单向脉动直流,把交流电变换成直流电,桥式整流电路及信号的输入、输出波形如下所示。
输出直流电压为:
桥式整流电路及输出波形
(3)滤波电路:
滤波电路的作用是平波,将脉动直流变换成比较平滑的直流。
(4)稳压电路:
滤波电路的输出电压还是有一定的波动,对要求较高的电子设备,还要稳压电路,通过稳压电路的输出电压几乎就是恒定电压。
(5)主要元件选取与参数计算
桥式整流电路主要参数计算公式:
1变压器选取
根据设计指标,稳压电源至少要输出电压为3.6V,本设计滤波电路最小输出电压为12V。
而Uo=1.2U2,则U2的最小值为10V。
又额定输出电流为300mA,则变压器的输出功率为3W。
为了留有一定的电压和功率余量,变压器可取220V/12V/5W。
②整流二极的选取
在滤波电路中,二极管中的最大整流平均电流IF通常选择大于负载电流的2~3倍。
IF=3×
300mA=900mA,二极管的最高反压UBR=1.414×
15V=21.21V。
考虑到留有一定的余量,可选电流为1.5A,耐压为50V的整流二极管,如IN4007等。
滤波电路的形式
虽然整流电路的输出电压包含一定的直流成分,但脉动较大,须经过滤波才能得到较平滑的直流电压。
下图为桥式整流C型滤波电路及其输出电压的波形。
桥式整流C型滤波电路及其输出电压的波形
滤波电路的输出电压与滤波电容有关,一般取:
UO=(0.9~1.4)Ui
为了获得较好的滤波效果,应使滤波电容满足RLC=(3~5)T/2的条件。
此时UO≈1.2U2。
由于滤波电路的最小输出电压为12V,负载额定电流为300mA,所以RL=12/0.3A=40Ω。
取C1=4×
T/2RL=(4×
0.02s)/(2×
40Ω)=1000uF。
2.2衰减器模块
衰减模块采用多级п型电阻匹配网络组合的衰减器,本设计前后级衰减38dB,中间带通衰减2dB。
元器件参数的计算和选择
用衰减器计算软件计算各级的п型电阻的阻值,第一级衰减16dB,经计算得R2=68.8Ω,R1=153.7Ω,R3=68.8Ω,取标称值R2=68Ω,R2=160Ω,R3=68Ω。
中间级用桥T型电阻网络衰减2dB,经软件计算R4=3Ω,R5=R6=50Ω,R7=843.8Ω,取标称值R4=5.1Ω,R5=R6=50Ω,R7=1kΩ。
后级用两级п型衰减网络分别衰减16dB、6dB,经计算后R11=20Ω,R12=150.5Ω,R13=150.5Ω取标称值R8=160Ω,R9=68Ω,R10=68Ω,R11=20.7Ω,R12=251.6Ω,R13=251.6Ω。
为了适应后级放大器的频带,该衰减器在中间级加入了LC选频滤波网络,L1=2.2uH,C1=51.14pF,实际电路中用一个70p的可调电容来调整实现频带的相适应。
衰减器计算软件计算出所有元件的值,然后在multisim软件上画电路图仿真
输入5V的信号,输出50.8mV的信号,仿真结果如图所示:
仿真结果符合题目要求,即衰减达到40dB。
2.3LC谐振放大模块
单谐调振放大器的增益不能满足要求,则采用多级单调谐振放大器级联同步调谐。
本设计放大器由4级单调谐放大器级联而成,各级都调谐在同一频率上每级的电压放大倍数分别为Au1、Au2、Au3、Au4,则总的电压放大倍数Au为
Au=Au1*Au2*Au3*Au4
谐振是总的电压放大倍数Au0=Au01*Au02*Au03*Au04
式中Au01、Au02、Au03、Au04分别为各级谐振电压的放大倍数。
若以分贝表示4级放大器的谐振电压增益,则
Au0(dB)=Au01(dB)*Au02(dB)*Au03(dB)*Au04(dB)
多级放大器总的增益幅频特性曲线如下图所示:
由于多级放大器的放大倍数等于各级放大倍数的乘积,所以级数越多,谐振增益越大,幅频特性曲线越尖锐,矩形系数越小,选择性越好,但通频带则越窄。
元器件参数分析与计算
单调谐放大器电路如下图:
图中的Rb1、Rb2是放大器的偏置电阻,Re是直流负反馈电阻,C为耦合电容,Ce为旁路电容;
Tr的初级线圈L与200pF云母电容组成Lc调谐回路。
其中Tr为普通调幅收音机的中频变压器(中周),旋动它顶部的“磁帽”,可改变L的电感量,进而改变放大器的工作频率。
调谐放大器只放大谐振f0附近频率的信号,所以习惯上把对应于频率为f0时放大器的放大倍数以Avo表示,而把高于f0时,放大器的放大倍数下降至0.707Avo时所对应的频率称为“上限频率”;
把低于f0时,放大器的放大倍数下降至0.707Avo时所对应的频率称为“下限频率”,这两个频率之间的频率范围则称为放大器的通频带BW=fH—fL。
电路中Lc组成并联谐振回路,它与晶体管共同起着选频放大作用。
为了防止三极管的输入与输出导纳直接并人Lc谐振回路,影响回路参数以及为防止电路的分布参数影响谐振频率,同时也为了放大器的前后级匹配,电路采用部分接人方式。
单调谐放大器输出端等效电路:
单调谐放大器的频带较窄,选择性较差。
优点是线路简单,调整方便。
通常当放大器的相对带宽B/f较小时(B/f<
5%),可以采用这种线路。
主要计算公式如下:
放大器的电压增益最大值Au0=(-Yfe)/(n1*n2*Ge)
放大器的增益频率特性表达式为Au=Au0/(1+jQe*2△f/f0)
放大器的通频带为BW0.7=f0/Qe
BW0.1=(Au/Au0)*f0/Qe
放大器的矩形系数为Kr0.1=BW0.1/BW0.7=2△f0.1∕2△f0.7
f0为调谐回路的谐振频率;
CΣ为回路总电容;
QL为回路的有载品质因素;
gΣ回路总电导;
KV0为回路谐振时的放大倍数;
Yfe为晶体管的正向传输导纳;
B为放大器的通频带,即3dB带宽;
矩形系数K0.1=9.96。
单调谐放大器的矩形系数远大于1,这说明它的谐振曲线和矩形相差甚远,选择性差。
对多级单调谐回路进行级联,可对矩形系数有一定改善,但改善效果并不理想,同时随着级数的增加,总的通频带迅速减小。
2.4自动增益模块
AD603自动增益电路原理图:
AD603的4脚偏置为+5V,增益控制端1脚偏置为某一固定的直流电平(+5.5V),增益控制端2脚电平为电容C5上的电位,而C5的充电电流Ia为三极管TR1的集电极电流I1与三极管TR2的集电极电流I2之差,即Ia=I1-I2。
当输出端电位升高时,三极管TR2趋向截止,TR2的集电极电流I2减小,致使C5上的电位增高,AD603的增益减小;
反之,当输出电位降低时,TR2趋向导通,TR2集电极电流I2增加,致使C5上的电位降低,AD603的增益增大,达到自动增益控制的目的。
AGC控制范围为
。
3.系统测试
3.1测试仪器
25MHz示波器,高频信号发生器(110MHz),扫频仪(20MHz),万用表
3.2测试方法
(1)衰减器指标:
在衰减器输入端由高频信号发生器输入电压有效值为5V、频率15MHz的信号,在输出端用示波器观察输出信号是否失真,并记录波形的电压有效值及其频率;
用扫频仪测试衰减器的频带,是否符合题目要求,与放大器相适应。
(2)放大器指标:
在放大器输出接200欧负载电阻条件下,衰减器输入端输入有效值5mV的信号,经衰减此时谐振放大器的输入为50uV,在放大器输出端用示波器观察输出信号的波形、有效值和频率。
改变输入信号的频率,记录谐振频率(波形无不失真的情况下电压最大值对应的频率)及其对应的电压有效值。
根据结果计算出放大器的最大增益。
-3dB带宽:
始终保持输人信号的幅度不变,以f0为中心,分别向f0的高端或低端改变输人信号的频率,记下输出电压为(0.1—0.9)Vo所对应的f0两边各点的频率。
采用逐点描图法绘出放大器的频率响应曲线,并求出通频带。
计算出-3dB带宽2△f0.7和矩形系数Kr0.1=2△f0.1∕2△f0.7。
(3)功耗指标:
调节输入信号电压,使输出电压为1V,用万用表测量输出电流,计算功耗。
3.3测试结果
(1)衰减器输出信号测试
输入信号幅度
输入信号频率
输出信号
衰减分贝
通频带宽/Hz
5V
15MHz
5mV
40dB
300KHz
(2)放大器测试200欧姆负载,衰减器输入5mV有效值的信号
输出信号有效值
信号频率
电压增益/dB
13.47MHz
30dB
35mV
14.81MHz
57dB
50mV
14.95MHz
60dB
15.1MHz
5mV
16.45MHz
由表格得出放大器最大增益60dB,-3dB的带宽290KHz,矩形系数Kr0.1=10.
(3)功耗测试调节输入信号电压,使输出电压为1V,用万用表测量输出电流I=333mA,功耗P=333mW。
3.4测试分析
测试结果表明,谐振放大器的主要指标符合设计要求。
衰减器器部分我们采取了衰减器计算软件设计电阻网络,设计效果比较理想,波形几乎没有失真。
放大器的设计没有衰减器的理想,因为参数的设定要不断地试验,时间很紧,没有十分精确地确定参数,大致能够符合要求。
4.结论
以上的测试结果及分析来看,基本符合设计的要求。
从我们的设计上看,知道我们有的方案不够理想,因为在赛前培训期间很少接触这方面的知识,一时之间思路不够明确,方案的确定花费了很多时间。
一些方案由于元器件的不足无法实现,在完成作品的过程中,我们不断发现问题,然后修正电路,一步一步地使方案完善,做到使作品符合要求。
[参考文献]
1.胡宴如、耿苏燕.高频电子线路[M].北京.高等教育出版社.2009
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3.谢嘉奎.电子线路非线性部分(第四版)[M].北京.高等教育出版社.2000
4.谢嘉奎.电子线路线性部分(第四版)[M].北京.高等教育出版社.1999
5.远坂俊昭.测量电子电路设计——模拟篇[M].北京.科学出版社.2006
附录
元器件明细表:
元器件名称
数量
9018
4
电位器、电阻
若干
AD603
2
中周
C4063
1
LM317
变压器
9018,AD603电容,电阻,电感,
仪器设备清单:
电路图图纸:
衰减器原理图:
单级谐振放大器原理图:
自动增益原理图:
- 配套讲稿:
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