LC谐振放大器.docx
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LC谐振放大器
目录
1系统方案设计......................................................4
2.1设计思路................................................4
2.2设计方案选择............................................5
2.3系统整体结构设计........................................5
3设计实现......................................................5
3.1衰减器实现..............................................5
3.2LC谐振放大器电路实现...................................6
3.3克服自激设计实现........................................6
3.4自动增益控制(AGC)电路实现...............................6
4系统测试......................................................7
4.1测试仪器................................................7
4.2测试方法................................................7
4.3测试结果................................................8
4.4测试结果分析............................................8
5结论..........................................................8
参考资料........................................................8
附录1系统硬件原理图...........................................9
LC谐振放大器(D题)
摘要:
本作品设计了一种低电压工作的低功耗LC谐振放大器,该放大器由40dB衰减器、匹配网络、多级级联小信号谐振放大器、宽带功率放大器和AGC电路组成。
为降低功耗、提高电路工作稳定性,改善幅频响应,系统采用了场效应管共源-共栅多级级联谐振放大电路,通过参差调谐方式,较好地解决了带宽与增益的矛盾,减小了矩形系数。
采用反馈分流式多级AGC实现了自动增益控制。
关键词:
衰减器谐振回路AGC阻抗匹配
1方案设计与论证
本设计要求在低电压(3.6V)电源供电的前提下,设计实现一种增益不低于60dB的高频LC谐振放大器,在保证带宽及输出电压指标的基础上,尽可能提高增益,优化幅频特性,减小失真,降低功耗。
1.1总体框图
本系统的基本工作过程如下:
输入信号经40dB衰减,送多级级联LC谐振放大器放大,各级共源-共栅谐振放大器组成参差调谐放大电路(中心频率15MHz、带宽300kHz),以获得较小的矩形系数,放大后的信号经宽带功率放大,达到输出指标要求。
其系统总体框图如图1所示。
图1系统总体框图
1.2放大器的选择
方案一:
采用低压宽带集成运算放大器。
优点是集成度高,外围电路较易设计,缺点是功耗大,难满足题目要求。
方案二:
采用晶体三极管放大器。
优点是功耗较低,电路成熟,缺点是噪声较大和输入输出电阻较低,影响Q值和矩形系数。
方案三:
采用场效应管放大器。
优点是功耗低、噪声小,输入输出阻抗高。
根据系统对放大器高增益和低功耗的要求,选择方案三。
通过构建共源-共栅多级级联放大器,在保证电路稳定性的前提下,尽可能提高增益;其较高的输入输出阻抗,也能进一步减小对LC负载回路的影响,提高回路选择性。
依据200Ω负载电阻的测试要求,在多级级联放大电路之后设计了一级甲类谐振功率放大器,以提高放大器带负载的能力。
1.3AGC电路的选择
方案一:
采用栅极电压反馈式AGC。
优点是电路简单,控制范围大;缺点是对接入栅极的LC谐振回路影响较大,易使系统幅频特性发生改变。
方案二:
采用反馈分流式AGC。
采用反馈电压控制三极管导通电流,从而改变共源-共栅放大器幅度,且不对LC谐振回路产生影响。
经综合比较,选择方案二。
为了达到更大的增益控制范围,采用多级级联式AGC,以尽可能宽的控制谐振放大器工作范围。
2.理论分析与计算
2.1增益分析
根据指标要求,系统整体增益欲达到60dB以上,需采用多级级联放大方式。
由于共源-共栅放大器中共源电路的谐振电压增益为
故共栅电路电压增益决定了该复合放大电路的增益,考虑到单级共源-共栅放大器谐振电压增益较低,本设计采用了7级级联放大电路,每级放大器增益约10dB左右。
2.2带宽与矩形系数分析
多级级联放大器带宽与矩形系数可由下式计算
不难看出,级联后放大器通频带将随级数的增加而缩减,同时矩形系数随级数增加改善有限,极限值2.56仍与理想矩形相差较大。
本电路指标要求放大器在15MHz谐振频率下,保证300kHz带宽和较小的矩形系数,带内维持较好的平坦度,因此,不宜采用多级相同参数放大器级联的方式,而应采用参差调谐的方案,如图2所示。
多级级联幅频特性参差调谐幅频特性
图2幅频特性对比示意图
2.3AGC电路分析
反馈分流式AGC对放大器的控制作用相对较弱,但若采取级联方式逐级控制,也可以获得较好的增益控制效果。
AGC的主要质量指标是动态范围,包括输入信号振幅或有效值Vi的动态范围、输出信号振幅或有效值VO的动态范围以及增益控制动态范围。
现分别定义如下:
输入信号动态范围:
或
输出信号动态范围:
或
增益控制动态范围:
式中,
为系统最大增益,
为系统最小增益。
动态增益控制范围常用dB数表示:
根据指标对AGC控制范围大于40dB的要求,即可推算各级AGC的控制范围。
2.4衰减器与匹配网络分析
衰减器可按40dB要求构成T型网络或π型网络,由于其特性阻抗为50Ω,需要考虑与放大器之间的匹配问题。
通过采用1:
5高频中周,并在次级谐振电路上并联1.25kΩ电阻,达到阻抗匹配的目的。
图3衰减器与阻抗匹配网络
3.电路设计
3.1谐振放大电路设计
各级谐振放大电路如图4所示。
采用7级参差调谐放大器,各级负载均为LC谐振回路,放大管与负载通过变压器耦合连接,这样既能减小回路损耗,同时也可以调节线圈匝数比确定每级的增益大小。
各级供电均串入高频扼流圈,防止高频损耗和放大器自激。
图4单级共源-共栅LC谐振放大器
3.2宽带功率放大电路设计
本设计在参差调谐放大器之后设置了一级宽带功率放大电路,在满足功耗指标要求的前提下,提高了放大器带负载的能力,满足测试需求。
宽带功率放大器采用甲类放大方式,尽管负载回路仍采用LC谐振回路,但由于200Ω测试负载的接入,会大大降低回路Q值,使得功率放大电路的频带远比前级谐振放大器宽,所以可以视为宽带放大器。
同时较低的负载电阻也会降低放大器的增益,因此本级放大器增益并不高,电路如图5所示。
图5甲类谐振功率放大器
3.3整体电路
系统整体电路见附录。
4.测试方案与测试结果
4.1测试仪器
测试仪器:
TektronixTDS1012数字示波器、南京新联EE1251数字化扫频仪、石家庄数英SU3080合成信号发生器、胜利VC890数字万用表。
4.1.1测试方法与结果
1、基本部分指标测量
(1)增益指标
改变输入信号频率,并保持5mV电平不变。
输入信号频率(MHz)
负载电压(mV)
增益(dB)
15.2
300
95.5
15.15
627
101.96
15
884
107.6
14.85
626
101.95
14.8
295
95.4
(2)通频带、矩形系数及带内波动指标
改变输入信号频率,并保持5mV电平不变。
通过数字化扫频仪观察放大器的幅频特性曲线,记录各观测点的相对电压值。
输入信号频率(MHz)
相对电压(mV)
15(谐振点)
884
15.15(-3dB)
627
140.85(-3dB)
626
15.29(-20dB)
89
14.71(-20dB)
88
3dB带宽(B0.7)
301kHz
20dB带宽(B0.1)
572kHz
矩形系数(Kr0.1)
1.9
带内波动(dB)
1.4
(3)失真度指标
由于各级放大器均采用LC谐振放大器,输出电压1V时,无明显失真。
(4)功耗指标
输出为1V,输出端接入200Ω负载。
电源电压(V)
电源输出电流(mA)
功耗(mW)
3.6V
49
176
2、发挥部分指标测量
(1)AGC电路指标
探头附加20dB衰减,输入15MHz、5V信号,使输出饱和,测量此时AGC控制直流电压VK;输入15MHz、5mV信号,断开AGC采样电路,测量输出电压,并计算增益G1;外加AGC控制直流电压VK,逐渐增加输入信号幅度,当输出无明显失真时,记录此时输入信号Vin和输出信号Vo,并计算增益G2;由此得到AGC控制范围ΔG=G1-G2。
AGC直流控制电压VK(V)
0.573
信号输出电压(V)
1.2
增益G1(dB)
107.6
外加VK控制下的输入电压Vin(V)
1.31
外加VK控制下的输出电压Vo(V)
0.94
外加VK控制下的增益G2(dB)
57.1
AGC控制范围ΔG(dB)
50.5
3、测试结果分析
通过对本系统的测试,衰减器符合指标要求,放大器工作中心频率为15MHz,最大谐振增益达到107.6dB,带宽为300kHz,带内波动<1.5dB,矩形系数达1.9,功耗<200mW,各项指标达到或超过发挥部分要求;AGC电路能够有效控制电路增益,控制范围达50dB。
测试中,因受仪器精度的影响和其他因素,实测数据难免存在误差,由于我们的工程经验不足,系统还存在很多改进空间。
参考文献
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附录1:
附录2: