全国电子设计大赛LC谐振放大器报告.doc

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2011年全国电子设计大赛

LC谐振放大器（D题）

摘要

本设计采用三级管两级放大实现一个低压、低功耗的LC谐振放大器。

该放大器实际上是一个高频小信号谐振放大器，其核心元件是高频小功率晶体管和LC并联谐振回路。

无线通信接收设备的接收天线接收从空间传来的电磁波并感应出的高频信号的电压幅度是（μV）到几毫伏（mV），而接收电路中的检波器（或鉴频器）的输入电压的幅值要求较高，最好在1V左右。

这就需要在检波前进行高频放大和中频放大。

为此，高频小信号放大器，完成对天线所接受的微弱信号进行选择并放大，即从众多的无线电波信号中，选出需要的频率信号并加以放大，而对其它无用信号、干扰与噪声进行抑制，以提高信号的幅度与质量。

关键词：

高频小功率晶体管LC并联谐振回路高频小信号放大器

Abstract

Thisdesignusesthelevel3tubetwostageamplifierachievealowpressure,lowpowerconsumptionLCresonanceamplifier.Theamplifierisactuallyahighfrequencyamplifier,smallsignalresonanceitscoreelementishighfrequencysmallpowertransistorsandLCparallelresonantcircuit.Wirelesscommunicationreceivingequipmentreceivingantennareceivefromspaceofelectromagneticwavescameoutandinductionofhighfrequencysignalsofvoltageamplitudeis（uV）toseveralmillivolt（mV）,andthedetectorsreceivingcircuit（orispopularlyusedimplement）inputvoltageamplitudethedemandishigher,thebestaround1V.Thisneedstobeinthedetectionofhighfrequencyamplifierandbeforemediumfrequencyamplifier.Therefore,highfrequencyamplifier,smallsignaloftheantennatocompleteaweaksignalandamplified,namelytochoosefromsomanyoftheradiosignal,electedinthefrequencyofthesignalandtheneedtobeamplified,andforotheruselesssignal,interferenceandnoisecontrol,inordertoimprovethesignalamplitudeandquality.

Keywords:

highfrequencysmallpowertransistorsLCparallelresonantfrequencysmallsignalamplifiercircuit

1、系统方案论证与比较

系统总体设计框图

输入信号

衰减器

LC谐振放大器

输出信号

1.1衰减器的设计方案

方案一：

采用纯电阻电路网络使输入电压衰减40dB，有两种电阻衰减器的结构：

T型和PI型，都是对称结构。

利用衰减器计算软件，选择衰减器类型，输入衰减量、输入阻抗、输出阻抗，单击确定，即可得到纯电阻网络的衰减器。

此类衰减器结构简单，容易分析。

方案二：

在纯电阻电路网络后加入一个选频网络，实现输入信号在一定频率范围内衰减。

方案三：

利用低通滤波器和高通滤波器设计一个带阻滤波器，其中心频率为15MHZ,±300KHZ衰减40DbB。

利用椭圆函数计算方法，确定电路中的各种参数。

LC椭圆函数带阻滤波器，中心频率15MHz，在50KHz处衰减量为1dB在300KHz处的衰减量为40dB负载阻抗50欧姆。

计算过程①fu=15600KHz,fl=14400KHz,中心频率f0=15000KHz.

②带宽陡度系数AS=510/300=1.70,选择一个频率比为1.7，且衰减从1dB到大于40dB的滤波器。

③运行FilterSolution程序，点击“阻带频率”（StopbandFrequency），在“通带波纹（dB）”（passbandripple）内输入0.18，在“通带频率”内输入1，在阻带频率内输入2，选中频率单位“弧度”,在“源阻抗”和“负载阻抗”内输入1.

④点击“确定阶数”控制按钮，打开第二个面板，在“阻带衰减”内输入40，点击设置最小阶数，关闭，选中“偶次阶模式”。

⑤点击“电路”按钮，选择“无源滤波器1”，得到低通滤波器

⑥所有电感用倒数值电容替代，所有电容用到数值电感代替，得到归一化高通结构。

⑦所有高通元件乘以Qbr,Qbr=29.4.

⑧每个高通电感与一个串联电容谐振，每个电容与一个并联的电感谐振，获得归一化带阻滤波器，此时中心频率为1rad/s,所以谐振元件之间是倒数关系。

⑨中心频率15MHz,Z=50O,电路中电感乘以（Z/FSF）,电容/（z×FSF）.FSF=2∏f0

通过对这三种方案的对比和分析，在该设计中我们选择了第二种设计方案，因为该电路结构简单，其参数也较易计算和确定。

1.2放大器部分设计方案

从放大器的组成器件上来分，初步定下三套方案。

方案一：

采用单管（晶体管）多级放大，高频小功率晶体管具有高增益、低噪声及低功耗的特点。

此电路电路结构简单，通过很多实验可得，放大倍数一般比较小，不能满足60dB的放大倍数。

方案二：

采用运算放大电路放大,运算放大电路的电能损耗较大，不满足低功耗的要求。

方案三：

以高频管VT为中心组成的一级单调谐高频放大器，高频载波信号经L1、L2电磁耦合后，采用L2中间抽头办法将其加至高频管的VT发射结，目的是改善VT与输入回路间的阻抗匹配。

C2容量较大，对高频载波呈短路。

VT和调谐回路L3、C5及电阻R1～R3等组成共基极单调谐放大器，R2、R3组成基极偏置分压器，使VT工作在线性放大状态；R1为发射极电阻，用于稳定工作点；C3、C4容量较大，对高频信号旁路。

因此本设计的放大器选择第三个方案。

2、理论分析与计算

2.1衰减器的分析计算

根据题目要求可知此衰减器衰减量为40dB。

根据衰减器设计方案二，计算出衰减器中的各参数。

2.2LC谐振放大器的分析计算

LC谐振放大器电路高频小信号谐振放大器的作用、电路组成、及工作原理，与低频小信号放大电路是基本一致的。

不同的是：

一是在高频小信号谐振放大器中，所放大信号的频率远比低频放大电路信号频率高；二是高频小信号谐振放大器的频宽是窄带（要求只放大某一中心频率的载波信号）。

因此，首先在电路组成上应将低频放大电路中的低频三极管换成具有更高截止频率的高频三极管，将集电极负载换成了LC选频网络；再是在电路分析与设计中，应重点考虑电路的高频特性与选频特性。

高频小信号谐振放大器的核心元件是高频小功率晶体管和LC并联谐振回路。

2.2.1高频小功率晶体管与LC并联谐振回路

（1）．高频小功率晶体管

高频小信号放大电路中采用的高频小功率晶体管与低频小功率晶体管不同，主要区别是工作截止频率不同。

低频晶体管只能工作在3MHz以下的频率上，而高频晶体管可以工作在几十到几百兆赫兹，甚至更高的频率上。

目前高频小功率晶体管工的作频率可达几千兆赫，噪声系数为几个分贝。

高频小功率晶体管的作用与低频小功率晶体管一样，工作在甲类工作状态，起电流放大作用。

（2）．LC并联谐振回路

在接收机的各级高频小信号放大器中，利用LC并联谐振回路的选频作用，对谐振点频率的电流信号呈现较大的阻抗，而且是纯电阻性的，将电流信号转换成电压信号输出，而对失谐点频率的电流信号呈现很小的阻抗，抑制失谐点频率电流信号的输出，起到选择出所需接收的信号，抑制无用的信号和干扰的目的。

2.2.2小信号谐振放大器的分类

按调谐回路划分：

单调谐回路放大器、双调谐回路放大器和参差调谐回路放大器。

按所用器件划分：

晶体管放大器、场效应管放大器和集成电路放大器。

按器件连接方式划分：

共基、共射与共集电极放大器或共源、共漏与共栅极放大器。

2.2.3高频小信号谐振放大器的主要性能指标及计算

（1）．谐振电压增益

放大器的谐振电压增益是指放大器在谐振频率上的电压增益，记为，其值可用分贝（dB）表示。

实际应用时，考虑放大器的稳定性问题，单级放大器的增益一般为20～30dB；若增益不够，可采用多级调谐放大器级联实现。

（2）．通频带

通频带是指放大器的电压增益下降到谐振电压增益的时所对应的频率范围，一般用（或）表示。

由于小信号调谐放大器所放大的一般都是已调信号，包含一定的边频，所以放大器必须有一定的通频带。

如：

一般调幅广播接收机的中放通频带约为8KHz，调频广播接受机的中放通频带约为200KHz。

（3）．选择性

选择性是指放大器从各种不同频率的信号中选出有用信号而抑制无用或干扰信号的能力。

通常用“抑制比”和“矩形系数”两个技术指标。

①抑制比：

定义为谐振电压增益与通频带外指定偏离谐振频率处的电压增益之比值，用表示，记为

            （dB）d=

值越小，即衰减的分贝数越大，则放大器选择性越好。

例如：

收音机的选择性指标就用抑制比来描述，普通调幅收音机，偏离处，衰减不低于20dB；优质调幅收音机，偏离处，衰减不低于30～40dB；调频收音机，偏离处，衰减不低于30dB。

②矩形系数：

用于评定实际的谐振曲线偏离（或接近）理想谐振曲线的程度，矩形系数定义为

的值越小越好，在接近1时，说明放大器的谐振曲线就越接近于理想谐振曲线，放大器的选择性越好。

（4）．稳定性

稳定性是指当组成放大器的元件参数变化时，放大器的主要性能——增益、通频带、选择性的稳定程度。

常见不稳定现象：

增益变化、中心频率偏移、通频带变化、谐振曲线变形、放大器自激。

（5）．噪声系数

信噪比：

用来表示噪声对信号的影响程度，电路中某处信号功率与噪声功率之比称为信噪比。

信噪比大，表示信号功率大，噪声功率小，信号受噪声影响小，信号质量好。

噪声系数：

用来衡量放大器噪声对信号质量的影响程度，输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值称为噪声系数。

在多级放大器中，最前面一、二级对整个放大器的噪声起决定性作用，因此要求它们的噪声系数尽量接近1。

2.2.4高频小信号谐振放大器的分析与计算

1．单级单调谐放大器

（1）电路组成

如图3-2-1a）所示为一个共发射极单调谐放大器，它是一个超外差接收机中一个典型的中频放大器。

图中，Rb1、Rb2和Re组成稳定工作点的分压式偏置电路，Cb、Ce为中频旁路电容，ZL为负载阻抗（或下一级的输入阻抗），Tr1、Tr2为中频变压器（中周），其中Tr2的初级电感L和电容C组成的并联谐振回路作为放大器的集电极负载，采用变压器耦合使前后级直流电路分开，也能较好地实现前后级的阻抗