LC谐振放大器D题.docx
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LC谐振放大器D题
LC谐振放大器(D题)
摘 要
本系统采用低噪声、高增益三极管2SC3355搭建三级LC谐振放大电路,对经过型电阻衰减网络衰减后的信号进行放大,接入自耦变压器-变压器耦合网络,很好地实现了信号的选频放大及级间交流耦合,末级采用一级NPN型高输出电流三极管9018组成电压跟随电路,实现阻抗匹配并驱动200负载。
设计中增加自动增益控制模块,最终实现了一个使信号谐振于15MHz的高增益、低功耗的LC谐振放大器。
经测试,衰减后的信号经LC谐振放大模块增益可达85.1dB,功耗低,带宽、增益、矩形系数等指标均能够很好地达到或超过题目基本及发挥部分的要求。
1、系统方案
1.1方案比较与选择
1.1.1衰减器
方案一:
选用集成的可控增益运算放大器,此方案3.6V供电的高带宽芯片比较少,而且一般运放的功耗较大,不易满足题目对低功耗的要求。
更重要的是,对于集成运放来说,受带宽增益积的限制,很难达到频带与放大器相适应的要求。
方案二:
选用无源电阻衰减网络,具有组件少,电路简单,噪声小,幅度呈线性衰减,波形不会产生畸变等优点。
综上所述,我们采用方案二,选用型对称衰减器,型衰减器模型如图1所示。
其中,衰减倍数(dB)
即可得出衰减网络每个电阻参数值。
图1型衰减器示意图
1.1.2放大器增益放大
方案一:
选用集成运算放大器,组成电路相对简单,且易于实现。
但是,根据题目中对3.6V供电、15MHz的高频率、80dB的高增益以及低功耗要求,运算放大器相对于由分立元件构建此类放大电路来说,谐振频率、增益、功耗等指标不易达到题目要求。
方案二:
采用分立元件搭建,虽然电路的调节比较繁琐,调试困难,对元器件和布线的要求比较高。
但同时它也相对存在很多优点,分立元件的组合具有灵活性,我们可以在满足题目基本指标要求的基础上,通过不断的调试更好地提高整机性能。
由方案一和二的比较可知,为了满足题目中多项指标要求,我们采用分立元件实现对信号的放大。
三极管2SC3355具有噪声系数小、增益高、带宽大等特点,外加自耦变压器-变压器耦合网络,能够很好地满足题目中各项指标要求。
因而我们采用此方案实现对经衰减器衰减后的信号进行高增益的选频放大。
此外,我们选用NPN型三极管9018搭建一级电压跟随电路,实现阻抗匹配并利用它的高输出电流特性驱动200负载。
1.1.3自动增益控制
在本设计中,我们利用二极管IN60的PN结单向导通特性以及RC滤波网络的滤波作用将第三级放大电路输出信号经整流滤波,反馈至前级放大电路中,调节基极电位,从而改变三极管的静态工作点,进而调节放大倍数,实现当信号较强时,放大器的增益自动降低的功能。
1.2方案描述
经过仔细地分析与论证,我们确定的方案系统主要由四大模块构成:
衰减器、LC谐振放大电路、自动增益控制电路以及供电电压为3.6V的自制线性稳压源。
系统的结构框图如图2所示,衰减器采用精密电阻搭建的型网络,对输入信号进行衰减,衰减后的信号再经由分立元件搭建的LC谐振放大电路进行选频放大,自动增益控制模块对系统的增益进行控制。
本设计经过测试,均很好地实现了基本及发挥部分的指标要求。
2、理论分析与计算
A
B
Vo
Vi
图2系统结构框图
2.1增益
放大器输出电压(或功率)与输入电压(或功率)之比,称为放大器的增益或放大倍数。
我们希望每级放大器的增益尽量大,使满足总增益时级数尽量少。
假如放大器有m级,各级的电压增益分别为Av1,Av2,…,Avm放大器总的增益可达:
(1)
为了完成题目发挥部分增益放大80dB的指标,单级放大显然无法满足要求。
在本设计中,兼顾放大器的带宽、增益及稳定性等指标,我们用分立元件搭建电路进行三级放大,经参数设计与调试表明,理论参数与电路中实际的放大倍数存在较大差异,因此我们选择理论与调试相辅的方式设计电路最终参数,可实现最大增益85.1dB的要求。
2.2AGC
自动增益控制(即AGC)的作用是当信号较强时,使其增益自动降低;当信号较弱时又使增益自动增高,从而保证输出信号基本稳定。
我们在电路中设计了自动增益控制电路,利用了二极管PN结的单向导通特性以及RC滤波网络的滤波作用将信号滤为直流电平,反馈至前级放大电路中,调节基极电位,从而改变三极管的静态工作点,进而调节放大倍数,达到当信号较强时,放大器的增益自动降低的功能,具体电路见图4所示。
2.3带宽与矩形系数
①带宽
放大器的通频带决定于负载回路的形式和回路的等效品质因子。
对于m级放大器而言,通频带的计算应满足:
(2)
式中,f/QL等于单级放大器的通频带。
因而,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,两者是互相矛盾的。
(2)式表明,若级联后的通频带过窄,则可采用降低每级回路的QL值的方法。
当电路参数给定时,通频带越大,则单级增益愈低,加宽通带是以降低增益为代价的。
在本设计中,为了满足题目中谐振频率f0=15MHz以及-3dB带宽2f0=300kHz,带内波动不大于2dB的指标要求,我们选用低噪声高频管2SC3355对信号进行、放大,每级接入谐振频率为15MHz的自耦变压器-变压器耦合网络来对信号进行调谐,尽量减少放大器的级数,兼顾增益指标,合理设计电路参数解决增益与带宽之间的矛盾,适当降低负载回路的QL值,使信号谐振频率接近15MHz。
在高频电路中,由于理论计算与实际电路参数存在偏差,我们采用边调试边修改设计参数的方案对电路参数进行分析计算。
②矩形系数
理想情况下,放大器应对通频带内的各信号频谱分量予以同样放大,而对通频带以外的邻近波道的干扰频率分量则应完全抑制,不予放大,而实际却存在较大差异。
为了评定实际曲线与理想矩形的接近程度,通常用Kr0.1来表示,定义为:
(3)
式中,2f0.7为放大器的通频带,2f0.1为相对倍数下降至0.1处的带宽。
显然,矩形系数越接近矩形,滤除邻近波道干扰信号的能力越强。
对m级放大器而言,矩形系数Kr0.1与m的关系如表1所示。
由表1可见,当级数m增大时,放大器的矩形系数有所改善,但这种改善是有限度的。
因而对于题目中尽可能降低矩形系数的要求,我们设计电路时尽可能适当地降低该项指标,但不会为了刻意追求低的矩形系数而牺牲系统带宽采用过多级数。
表1矩形系数Kr0.1与m的关系
m
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Kr0.1
9.95
4.8
3.75
3.4
3.2
3.1
3.0
2.94
2.92
2.9
2.56
2.4稳定性
稳定性是指放大器的工作状态(直流偏置)、晶体管参数、电路组件参数等发生可能的变化时,放大器的主要特性的稳定程度。
一般的不稳定现象是增益变化、中心频率偏移、通频带变窄、谐振曲线变形等。
极端的不稳定状态是放大器自激,致使放大器完全不能正常工作。
特别是在多级放大器中,如果级数多,增益高,则自激的可能性最大。
为了使放大器稳定工作,我们采取一下几点措施来提高其稳定性:
①使用金属屏蔽盒。
将衰减器和放大器模块装在屏蔽盒中,减小外界干扰和高频自激;
②电源隔离。
电源供电采用电感隔离,并在每级电路电源供电处就近接入100uF与0.1uF电容进行退耦,减小电源纹波对系统的干扰;
③传输隔离。
输入级和输出级均采用SMA接头,采用同轴电缆进行信号传输,尽可能地减小外界对系统的干扰。
3、电路设计
3.1衰减器电路设计
本设计中,我们采用精密电阻搭建型衰减网络,根据题目衰减量及特性阻抗50的要求,所设计的衰减器电路原理图如图3所示。
信号由A端输入,经由该衰减网络衰减40dB,B端输出的信号接入下级LC谐振放大电路。
这个衰减网络的40dB的衰减量(即衰减100倍)考虑了信号源50的内阻,即实际原信号经过该网络衰减50倍。
另外,由于题目中要求的信号发生器的输入电阻为50,当衰减网络与LC谐振放大电路级联时,会再衰减一半。
因而,考虑进这两个因素后,信号经衰减网络接入放大器时实际衰减200倍。
图3衰减器电路
3.2LC谐振放大电路设计
本模块前三级选频放大部分由低噪声高频管2SC3355等分立元件构建(如图4所示),采用谐振点为15MHz的自耦变压器-变压器耦合网络对经衰减器衰减后的信号进行选频放大,能够很好地选出有用信号(本设计中是指频率为15MHz左右的信号),排除干扰信号,谐振频率在14.98MHz且此时有最大电压增益,为85.1dB。
末级采用9018构建一级电压跟随电路(如图5所示),实现阻抗匹配以驱动200负载。
电路中增加了自动增益控制功能,通过反馈调节系统增益控制,实现当信号较强时,使其增益自动降低功能。
由于高频信号理论与实际值存在不小得差异,我们在基本理论设计的基础上,对电路进行了不断的调试与改进,最终确定了选频性能很好的谐振放大器参数。
图42SC3355构建的谐振放大电路
图5末级电压跟随电路
在图4中,自耦变压器-变压器耦合网络中的电容我们使用51pF,则根据谐振频率计算公式
,可求得L的值为2.2uH。
3.3输出最大不失真电压及功耗
通过不断调试,输出最大不失真电压为1.4Vpp,由于时间限制,未能达到题目中的1V有效值。
在本设计中,我们尽量避免使用功耗相对较大的集成运放而采用分立元件,并尽量减少放大器级数,在保证三极管工作于线性放大区的前提下,尽量调低每级的静态工作点以降低功耗,最终测试功耗为103.75mW。
4测试方案与结果
4.1测试方案与测试条件
4.1.1测试仪器
本方案所采用的测试仪器名称及如表2所示:
表2测试仪器名称及型号
序号
仪器名称及规格
1
SP3060型数字合成扫频仪
2
SU3150DDS函数信号发生器
3
YT8045数字万用表
4
YB4302020MHz模拟示波器
5
LDS20205数字示波器
4.1.2测试方案
先采用大信号输入方式单独测试衰减器的衰减特性,再测量LC谐振放大电路每级的静态工作点和性能参数,再逐级级联,输出级接上200负载进行整机联调,对本系统的各项重要指标进行测试并记录。
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- LC 谐振 放大器