LC谐振放大器郭1.docx
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LC谐振放大器郭1.docx
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LC谐振放大器郭1
摘要:
系统由程控衰减模块、前置放大模块、LC谐振放大模块和带通滤波模块组成。
衰减模块由π型无源衰减器构成。
放大模块由可调放大环节和LC谐振放大环节组成,其中放大环节由芯片AD603搭建。
LC谐振放大环节由分立元件搭建,最终可以实现手动增益的连续可调。
整个系统可实现15MHZ小信号40dB衰减,输入放大器后实现80dB高增益放大,输出级40dB范围内自动增益可控,末级经功率放大电路后驱动200Ω负载电阻。
总的来说,本系统基本符合指标的要求。
关键字:
衰减器,放大电路,LC谐振,AGC自动增益,高频小信号
Abstract:
Thesystemiscomposedofprogram-controlledattenuatormodule,apreamplifiermodule,LCresonantamplificationmoduleandthebandpassfiltermodule.Attenuationmodulebyπtypepassiveattenuator.AmplifiermodulebyadjustableamplifyinglinkandLCresonantamplificationcircuit,theamplifyinglinkbyAD603chipset.LCresonantamplifyinglinkissetupbythediscretecomponents,finallycanrealizemanualgaincontinuouslyadjustable.Thewholesystemcanberealized15MHZsmallsignalattenuationof40dB,afterthe80dBinputamplifierhighgainamplification,theoutputstage40dBrangeautomaticgaincontrol,finalthroughapoweramplificationcircuittodrivethe200Ωloadresistance.Ingeneral,thissystembasicallymeetstherequirements.
Keywords:
attenuator,amplifyingcircuit,LCresonance,AGCautomaticgain,highfrequencysmallsignal
目录
一、前言…………………………………………………………………4
二、总体方案设计………………………………………………………4
1、增益控制部分………………………………………………………………………4
2、LC谐振放大部分…………………………………………………………………5
3、总体方案描述………………………………………………………………………5
三、理论分析与计算……………………………………………………5
1、衰减器………………………………………………………………………………5
2、谐振频率……………………………………………………………………………5
3、放大倍数……………………………………………………………………………6
4、-3dB带宽…………………………………………………………………………6
5、选择性——矩形系数………………………………………………………………6
四、单元模块设计………………………………………………………7
1、衰减电路……………………………………………………………………………7
2、第一级放大电路设计………………………………………………………………7
3、后级LC谐振放大电路……………………………………………………………8
4、滤波…………………………………………………………………………………8
五、放大器各项性能指标及测量方法…………………………………9
1、测试仪器……………………………………………………………………………9
2、测试方案和结果……………………………………………………………………9
六、结论…………………………………………………………………10
七、参考文献……………………………………………………………10
一、前言
谐振放大器广泛应用于通信系统和其他电子系统中,如在发射设备中,为了有效地使信号通过信道传送到接收端,需要根据传送距离等因素来确定发射设备的发射功率,这就要用高频谐振放大器将信号放大到所需的发射功率;在接受设备中,从天线上感应到的信号是非常微弱的,一般在
级,要将传送的信号恢复出来,需要将信号放大,这就需要用高频小信号谐振放大器来完成。
高频功率放大器的主要功能是放大高频信号,并且以高效输出大功率为目的。
它主要应用于各种无线电发射机中。
发射机中的振荡器产生的信号功率很小,需要经过多级功率放大器才能获得足够的功率,送到天线发射出去。
高频功放的输出功率范围,可以小到便携式发射机的毫瓦级,大到无线电广播电台的几十千瓦,甚至兆瓦级。
目前,功率为几百瓦以上的高频功率放大器,其有源器件大多为电子管,几百瓦以下的高频功率放大器则主要采用双极晶体管和大功率场效应管。
已知能量(功率)是不能放大的,高频信号的功率放大,其实质是在在输入高频信号的控制下将电源直流功率转换成高频功率,因此除要求高频功放产生符合要求的高频功率外,还应要求具有尽可能高的转换效率。
应当指出,尽管高频功放和低频功放的共同特点都要求输出功率大和效率高,但二者的工作频率和相对频带宽度相差很大,因此存在着本质的区别。
低频功放的工作频率低,但相对频带很宽。
工作频率一般在20--20000Hz,高频端与低频端之差达1000倍。
所以,低频功放的负载不能采用调谐负载,而要用电阻,变压器等非调谐负载。
而高频功放的工作频率很高,可由几百千赫到几百兆赫,甚至几万兆赫,但相对频带一般很窄。
例如调幅广播电台的频带宽度为9kHz,若中心频率取900kHz,则相对频带宽度仅为1%。
因此高频功放一般都采用选频网络作为负载,故也称为谐振功率放大器。
近年来,为了简化调谐,设计了宽带高频功放,如同宽带小信号放大器一样,其负载采用传输线变压器或其他宽带匹配电路,宽带功放常用在中心频率多变化的通信电台中。
二、总体方案设计
1、增益控制部分
方案1:
增益可控运放。
增益的衰减量由可控运放加在其增益控制端口的参考电压决定,而这个参考电压课通过单片机控制D/A芯片输入电压决定,因此这种运放的增益精度高,最大增益误差小于0.5dB。
但是,这样的零漂一般比较大,而且不能选择频带。
方案2:
有源带通滤波器。
用单个通用运算放大器结成点电源供电模式,易于实现。
他的上限截止频率和下限截止频率可以非常接近,具有非常强的选择性,且增益、品质因数都容易调节,因此在工程中应最为广泛。
有些特性容易同事满足。
方案3:
电阻衰减网络。
目前,安捷伦、泰克等公司生产的示波器、频谱仪等仪器,一般采用电阻网络来控制衰减。
电阻衰减网络由电阻搭建,其增益误差有电阻的精度决定。
通过继电器切换可实现增益的的步进。
这种电阻万路过对后级零漂基本无影响,噪声低,工作频率动态范围大,输入输出阻抗稳定。
通过并联LC谐振电路可是实现带宽的选择。
综合考虑,精密性、稳定性和特性指标的实现等因素后,我们选择电阻衰减网络来实现增益的衰减控制。
2、LC谐振放大部分
方案1:
分立元件搭建谐振电压输出放大器。
使用分立元件搭建的LC谐振放大电路,可以经过计算得到合适的输入输出阻抗、放大倍数及谐振带宽。
电阻和电容可根据需要跟换设计灵活。
方案2:
集成芯片与分立元件混合搭建。
集成芯片电路简单,使用方便,性能稳定,可用集成芯片和分立元件混合搭建实现题目要求。
集成芯片AD603的输入电阻100Ω,压摆率位275V/µs,增益在-11dB~30dB,增益可调。
该芯片低噪声、低畸变、高精益的压控VGA芯片。
可广泛用于射频自动增益放大(AGC)电路电路。
并在芯片输出级联上LC谐振放大电路,放大倍数和带宽的要求。
虽然分立元件搭建功率输出电路优点众多,但单级LC谐振电路放大倍数有限,不能满足要求,必须搭建多级电路,多级分立元件组成的电路易受干扰影响,不稳定因素增加。
考虑到高频信号电路的易受干扰性,我们选择应用集成芯片与分立元件混合搭建。
3、总体方案描述
1)总体思路
输入的小信号由分立元件组成的电阻网络衰减器衰减为更小的微信号,然后进入AD603搭建的前级放大电路,最后进入由分立元件搭建成的LC谐振荡。
2)系统结构框图
图1系统总体方案框图
三、理论分析与计算
1、衰减器
按题目要求,信号衰减量为40dB±2dB,特性阻抗为50Ω。
因此我们设计的衰减器是由电阻元件组成的四端网络,它的特性阻抗、衰减都是与频率无关的常数,相移等于零。
为了使衰减器的频带与放大器相适应,在信号衰减后接一个带通滤波器,实现与放大器相适应的频带。
2、谐振频率
放大器的调谐回路谐振时所对应的频率f0称为放大器的谐振频率,对于所示电路(也是以下各项指标所对应电路),f0的表达式为
式中,L为调谐回路电感线圈的电感量;CΣ为调谐回路的总电容,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ωC=1/ωL,通过计算可以确定LC的值,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。
以15MHz放大器为例,经计算得电感为4.7uH时选用3—35pF的可调电容完全可以达到谐振频率,但接好电路后很少能够调到15MHz。
多次实验表明,实际振荡频率一般小于计算的频率,这就要用其它办法来确定放大器的谐振频率。
可以在放大器输入端加一幅度恒定的信号,然后改变其频率,用示波器观察输出信号在哪一频率下最大,从而找到谐振频率,然后进一步确定所需频率的调谐回路的电感电容值的大小。
这一方法思路简单,可行性也较强。
3、放大倍数
放大器的谐振回路谐振时,所对应的电压放大倍数AV0称为调谐放大器的电压放大倍数。
我们要求放大60dB也就是1000倍。
AV0的表达式为
式中,gΣ为谐振回路谐振时的总电导。
要注意的是yfe本身也是一个复数,所以谐振时输出电压V0与输入电压Vi相位差不是180̊̊̊而是为180̊̊̊+Φfe。
4、-3dB带宽
由于谐振回路的选频作用,当工作频率偏离谐振频率时,放大器的电压放大倍数下降,习惯上称电压放大倍数AV下降到谐振电压放大倍数AV0的0.707倍时所对应的频率偏移称为放大器的-3dB带宽,若其表达式为
式中,QL为谐振回路的品质因数。
分析表明,放大器的谐振电压放大倍数AV0与-3dB带宽BW的关系为
上式说明,当晶体管选定即yfe确定,且回路总电容CΣ为定值时,谐振电压放大倍数AV0与-3dB带宽的乘积为一常数。
5、选择性——矩形系数
调谐放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数K0.1时来表示,矩形系数K0.1为电压放大倍数下降到0.1AV0时对应的频率偏移与电压放大倍数下降到0.707AV0时对应的频率偏移之比,即
上式表明,矩形系数K0.1越小,谐振曲线的形状越接近矩形,选择性越好,反之亦然。
一般单级调谐放大器的选择性较差(矩形系数KV0.1远大于1),为提高放大器的选择性,采用多级调谐回路的谐振放大器。
图2单级LC谐振放大电
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