LC谐波放大器118107.docx
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LC谐波放大器118107
2011年全国大学生电子设计竞赛
LC谐振放大器（D题）
【组】
2011年9月6日
摘要
本设计由衰减器和LC谐振放大器两大部分组成。
输入的信号经衰减器衰减40db后，再由LC谐振放大器将其放大，谐振频率为15MHz。
LC谐振放大器是一个低压低功耗，并具备一定的带负载能力的放大电路。
信号在通过多级放大电路后经LC谐振电路，可以实现挑选出15MHz的信号并将其放大的功能。
该系统使用3.6V单电源供电，使用分立器件组成三级放大电路和LC谐振电路，他们之间通过阻容耦合使各级静态工作点相互独立，实现各级放大倍数的叠加。
关键词：
衰减放大谐振
目录
摘要……………………………………………………………………3
1系统方案…………………………………………………………..5
1.1系统的总体构成……………………………………………….5
1.2衰减器的选择方案……………………………………………..5
1.3LC谐振放大器的方案选择……………………………………....5
2系统设计…………………………………………………………..6
2.1总体设计………………………………………………………...6
2.2单元电路设计…………………………………………………...6
2.2.1衰减器的设计……………………………………………….6
2.2.2LC谐振放大器的设计………………………………………6
3核心电路参数计算…………………………………………………8
4系统的测试…………………………………………..........................9
4.1测试仪器………………………………………………………..9
4.2衰减电路的测试……………………………………………….9
4.3LC谐振放大器电路测试………………………………………9
5结论…………………………………………………………………..10
参考文献………………………………………………………………10
一系统方案
1.1系统的总体构成
根据题目要求，系统分为衰减器和LC谐振放大器两部分，系统框图如下图1-1所示，下面对各部分经行方案论证。
图1-1电路框图
1.2衰减器的方案选择
方案一，用电阻搭成
型衰减网络。
电阻搭制
型衰减网络无疑是最简单方便的一种方案，但由于电阻的热噪声干扰较大，且阻值精度不满足要求，信号经衰减后含有较多杂波，甚至可能将小信号覆盖掉，经过滤波电路后，信号还含有较多的杂波，故而本方案舍去。
方案二，LC网络衰减器对信号进行衰减，针对特定频率进行衰减，有效地抑制杂波的形成，并且和后级的LC谐振放大电路的谐振频率相适应，是一种比较好的选择方案。
但是LC网络衰减器的计算和制作都很复杂、元器件精度要求很高，不适宜在有限的比赛时间内完成，所以本设计不采用此方案。
方案三，使用市场上的成品衰减器。
成品衰减器的衰减精度高，输出杂波少，仅作为LC谐振放大器的小信号的输入也是一种比较好的选择。
而且，本方案节约时间和精力，可以更好地完善后级的LC谐振放大器。
因此，本设计采用方案三，直接使用市面上成品衰减器加以适当改进作为本设计的衰减器。
1.3LC谐振放大器的选择
方案一、多级多调谐放大电路，多调谐电路具有调谐方便，多级级联后也可以实现电压倍数和频带的要求，但是多调谐电路在电路设计中计算繁琐复杂，调试中也比较复杂，不易实现。
方案二、多级单调谐放大电路，单谐振电路的晶体管输出由线圈抽头以电感分压式接入回路，负载通过变压器与谐振回路相耦合，从而减少晶体管输出阻抗和负载对谐振回路的影响。
单调谐电路通过多级级联实现放大倍数的叠加，同步调谐放大器还实现设计中对频带的要求。
单调谐电路具有设计方法简单，但实际调试中很难把三级的谐振频率调整的完全一致，更多的是信号在各级互相衰减，甚至出现负增益的情况。
方案三、集中选频放大电路、可以在设计中先通过多级分立放大电路对信号电压进行放大，先达到放大倍数的要求，然后通过LC集中选频滤波器实现设计中对频带的要求，本次设计采用方案三，用集中选频放大电路搭接LC谐振放大器，达到本次设计的要求。
二系统设计
2.1总体设计
电压型小信号（小于5mV）通过同轴衰减器衰减40db后经阻抗匹配网络接入LC谐振放大器进行信号放大处理。
2.2单元电路设计
2.2.1衰减器的设计
LC谐振放大器最小增益为60db，为了便于测试，需要在前端加一个40db衰减器，在本次设计中衰减器由工业成品同轴衰减器，SJ-10db和SJ-30db串接为衰减40db的衰减电路，合本次设计的要求，需要后加阻抗匹配网络，以方便和后级LC谐振放大器相适应。
2.2.2LC谐振放大器的设计
LC谐振放大器是本次设计的核心电路，它包括多级放大电路和LC集中选频滤波电路两部分。
多级放大电路以共射组态为基本电路单元（如图2-1所示）。
图中RB1、RB2、RE构成分压式电流负反馈直流偏置电路，以保证晶体管工作在甲类状态，Ce作为发射极旁路电容，用以短路高频交流信号。
LC并联谐振回路。
图2-1单级共射组态
LC谐振放大器的放大部分用三级共射组态通过阻容耦合级联，每级的电压放大倍数分别为Au1、Au2、Au3，则总的电压放大倍数A
为
A
=Au1*Au2*Au3（2.2.1）
式中Au1、Au2、Au3分别为各级谐振电压放大倍数。
若以分贝表示LC谐振放大器的谐振电压增益，则
A
（db）=Au1（db）+Au2（db）+Au3（db）（2.2.2）
LC谐振放大器的放大部分电路图如图2-2所示。
图2-2多级共射放大电路
LC集中滤波选频电路为单级单调谐电路，如图2-3所示。
图中RB1、RB2、RE构成分压式电流负反馈直流偏置电路，以保证晶体管工作在甲类状态，Ce作为发射极旁路电容，用以短路高频交流信号。
LC并联谐振回路调谐在输入信号频率上，回路产生谐振，放大器输出电压最大，故电压增益也为最大。
图2-3单级单调谐电路
三核心电路参数计算
单级单调谐放大器通频带定义
（3.1）
由上式可得
（3.2）
所以BW0.7=
（3.3）
单级单调谐放大器矩阵系数的定义
（3.4）
有N（f）=0.1得（3.5）
（3.6）
有式3.3得
（3.7）
有上式可得，Q>>1，有
（3.2）
谐振回路的品质因数还可以表示为
（3.3）
又有RL=200
，有式3.2和3.3可得到LC的拓扑关系，得出LC的值。
四系统的测试
4.1测试仪器
1、低频信号发生器
2、数字万用表
3、失真度测量仪
4、数字示波器
5、稳压电源
4.2衰减电路的测试
用经过校准的信号源产生正弦波，将频率设为15MHz
300KHz，将振幅从10mV增加至50mV，记录放大后电压和放大倍数，填入表4-1中。
表4-1衰减器衰减量
输入UA（V）
2
4
6
8
10
输出
Ui（mV）
24
42
66
84
104
衰减倍数（db）
38.38
39.55
39.18
39.57
39.6
结果分析：
该衰减器衰减倍数在40db
2db，且呈线性关系。
4.3LC谐振放大器电路测试
由于衰减器呈线性关系，可知小信号衰减倍数也为40db，把衰减器接入信号源和LC谐振放大器之间，分别改变输入LC谐振放大器的信号的电压和频率，得到与之放大倍数之间的关系。
将之填入表4-2,和表4-3中。
表4-2Ui—Au关系（f=15MHz）
输入电压Ui（uV）
10
20
30
40
50
输出电压Uo（mV）
10.56
22.43
27.03
40.63
53.96
放大倍数Au（db）
60.47
60.99
59.09
60.14
60.64
结果分析：
在输入信号频率为15MHz的情况下，LC谐振放大器的放大倍数在60db以上，达到题目的要求。
表4-3f—Au关系（Ui=20uV）
信号频率
f（MHz）
14
14.5
15
15.5
16
输出电压
Uo（mV）
6.78
15.21
23.56
17.02
8.53
放大倍数
Au（db）
50.63
57.62
61.45
58.69
52.69
结果分析：
在输入信号一定的情况下，LC谐振放大器在f=15MHz的频率下，放大倍数最大，且随着频率远离15MHz，放大倍数已越来越快的速度降低。
五结论
由于系统采用纯模电电路搭接而成，功能电路可以实现，但系统的稳定性方面还有所欠缺，由于时间关系，这个问题还没有比较好的解决方案，在功能指标方面达到了题目要求的各项指标。
参考文献
《信号与系统》，ALANV.OPPENHEIM著，西安：
西安交通大学出版社1997年；
《模拟电子线路基础》，吴运昌著，广州：
华南理工大学出版社，2004年；
《高频电子线路》，林春芳著，北京：
电子工业出版社，2003年;
《模拟电子技术基础》，杨素行著，北京：
高等教育出版社，2006年;
《电路与模拟电子技术》，殷瑞祥著，北京：
高等教育出版社，2004年;
《电子技术及应用基础》，李哲英著，北京：
高等教育出版社，2003年：
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