F041LC谐振放大器报告.docx
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F041LC谐振放大器报告
组号：
F041
题目：
LC谐振放大器
LC谐振放大器
[摘要]本文设计的是一个低压、低功耗LC谐振放大器，完成在3.6V稳压电源供电下，谐振频率为15MHz，放大增益达到60dB，通频带宽为300kHz，功耗不超过360mW，根据需要完成的功能，分为电源模块，实现3.6V稳压电源供电；前级40dB固定衰减器模块；LC谐振放大模块，自动增益模块。
采用高频小信号谐振放大的方法和技术，使用multisim软件仿真，经测试，最终基本完成设计要求。
设计的作品能够在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，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。
[关键词]低压低功耗LC谐振放大衰减器
Abstrsct：
Thisdesignisalow-voltage,low-powerLCresonantamplifier,completewith3.6Vsupplyvoltage,theresonantfrequencyof15MHz,amplificationgainof60dB,passbandbandwidthof300kHz,powerconsumptionoflessthan360mW,accordingtocompletefunctionsintopowermodulewith3.6Vvoltagesupply;pre-40dBfixedattenuatormodule;LCresonantamplificationmodule,AGCmodules.Smallsignalhighfrequencyresonantamplificationmethodsandtechniques,theuseofmultisimsoftwaresimulation,tested,andultimatelycompletethebasicdesignrequirements.Designworkcan3.6Vregulatedpowersupply,200Wamplifieroutputloadresistanceconnectedconditions,resonant15MHz,-3dBbandwidthof300kHz,withinthefluctuationbandisnotmorethan2dB,theamplifiergainof60dB,andpowerconsumptiondoesnotexceed360mW,completelow-voltage,lowpowerLCresonantamplifier.
Keywords：
low-voltageLowpowerconsumptioLCresonantamplifier
窗体顶端
Attenuator
窗体底端
目录
1．系统设计与方案论证1
1.1电源模块1
1.2衰减器模块1
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
5mV
13.47MHz
30dB
35mV
14.81MHz
57dB
50mV
14.95MHz
60dB
35mV
15.1MHz
57dB
5mV
16.45MHz
30dB
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
2.林云.射频通信电路[M].武汉.华中科技大学出版社.2009
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
元器件名称
数量
元器件名称
数量
9018
4
电位器、电阻
若干
AD603
2
中周
4
C4063
1
LM317
1
变压器
1
9018，AD603电容，电阻，电感，
仪器设备清单：
25MHz示波器，高频信号发生器（110MHz），扫频仪（20MHz），万用表
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：
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