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LC谐振放大器论文
2011年全国大学生电子设计竞赛
LC谐振放大器（D题）
【本科组】
2011年9月3日
摘要
本系统以高频低噪声放大器2SC3358为核心组成的LC谐振放大器，外加AGC电路进行增益自动控制，在保证信号不明显失真的前提下输出幅值保持稳定。
系统主要由衰减器、谐振放大器、功率放大器、AGC和扩展电路等构成。
LC谐振放大器能将中心频率为15MHz微伏级别的小信号放大最大到约101dB，带宽保持300KHz，输入阻抗50Ω。
AGC电路增益控制范围达到46dB，整个放大器最大功耗约为114.8mW。
后级功放由功放管2SC2053和LC谐振组成，提高了输出级的驱动能力，改善了阻抗匹配性能。
本系统经过测试，抗干扰能力强，加上精致的外壳和防自激电路的设计，放大器具备了很好的稳定性。
关键词：
LC谐振AGC谐振放大器增益小信号
LC谐振放大器（D题）
【本科组】
1系统方案
本系统主要由衰减模器、LC谐振放大器、功率放大器、3.6V电源、AGC和扩展电路组成，下面分别论证这几个模块的选择。
系统框图如图1所示。
图1.1系统方案框图
1.1谐振放大器的论证与选择
方案一：
采用两片低压集成运放OPA355组成两级LC谐振放大器，原理图如图1.1所示。
本方案在Multisim软件中仿真效果很好，能达到发挥部分的大部分要求，电路简单方便，也适合工厂量产。
但实际中调试容易产生高频自激，频率输出不稳定，调试中有些参数也达不到相应的指标。
图1.2LC谐放
方案二：
采用分立元件组成两级LC谐振放大器,末级采用谐振功率放大器，本方案不但能满足增益，而且输入、输出阻抗都匹配。
但频带宽度不易调节，级间干扰导致带宽较大，可能也会产生自激现象。
但做适当的高频屏蔽处理，以上问题能得到解决。
同时采用分立元件成本低，调节灵活。
综合性价比和功耗要求，针对设计的指标要求，选择方案二。
1.2AGC电路方案的论证与选择
方案一：
采用两片AD8367组成AGC电路模块，一片工作在VGA模式,另一片工作在AGC模式。
采用数字芯片模拟的AGC优点是电路连接和控制简单，增益控制响应时间短，速度快。
但由于噪声的存在，检波精度下降，尤其是信号本身功率小，噪声带宽又很宽的情况下，AGC输出信噪比更小，对信号功率偏差更大，因此此时AGC对电路增益的调整可能会不准确。
况且由于响应速度过快，AGC正处于增益调整的过程中，输出波动较大，同时AD8367价格昂贵。
方案二：
采用低功耗的Atmega48单片机对输出信号采样反馈到控制对输入信号进行增益。
这种电路的优点是方便扩展显示电路及后续检测电路，采用数字电路可以提高检波的精度，增益控制电压具有保持功能，避免了AGC频繁调调节引起的波动。
但缺点是需要单片机进行数据处理，控制过程相对复杂，增益控制响应时间略长。
方案三：
采用分立元件构成峰值检波器和低压运放OPA2277组成AGC电路。
这种方案具备了模拟电路的AGC的优势，相对于方案一、方案二的性价比更高，响应速度更快，容易实现，也方便扩展后续数字电路。
综合上述，结合功耗、性价比和性能指数，本设计选择方案三。
1.3电源方案的论证与选择
根据题目要求，放大器需使用3.6V稳压电源供电。
由于本电路设计的放大器工作在高频段，为了避免电源对放大器的干扰和提高放大器的便携性，本电路电源采用四节五号干电池，经过稳压管处理便能满足放大器工作要求。
此方案成本低，制造方便，应用广泛，远远胜过其它电源。
2系统理论分析与计算
2.1衰减器的分析
衰减器指标：
衰减量为40±2dB,特性阻抗50Ω,频带与放大器相适应。
本设计选择π型衰减器，如图2.1所示，由公式α=10A/10，R44=ZO|α-1|/（2α1/2）,R63=R64=ZO（α1/2+1）/|α-1|计算得R63=R64=51Ω,R44=2496.8Ω，三个电阻为千分之一的精密电阻。
图2.1π型衰减器
2.2LC谐振放大器的指标的分析
LC谐振放大器的几个重要指标：
增益、通频带、矩形系数、稳定性等。
2.2.1增益
按照题目发挥部分的要求，信号在-3dB带宽不变的条件下，提高增益到大于等于80dB,所以本次设计采用三级谐振，两级谐振放大器，一级谐振功功率放大。
由理论计算，电压增益Au=-20log（Uo/Ui）（dB）,测量中获取输出和输入电压值，便可得到增益值。
而本电路放大倍数达100.8dB。
初级谐振放大器放大Au1倍，中级放大器放大Au2倍，末级功率谐振放大器放大Au3倍。
根据级间关系，放大倍数约为Au=Au1*Au2*Au3=101dB。
增益参数由中周的接入系数比p、正向传输导纳yfe和谐振电路等效总电导g∑共同决定。
放大器谐振时，ω0C∑-1/ω0L=0,对应的谐振频率ω0=1/（LC∑）1/2，则电压增益|Au0|=p1*p2*|yfe|/g∑，其中接入系数p为中周的前后线圈匝数。
2.2.2AGC的分析
AGC就是幅度自动调节系统，起作用相当输入信号的幅度在很大范围内波动时，严格定制放大器的增益，使输出信号的幅度保持不变或者只有很小的变化。
也就是说AGC是一个动态范围压缩装置。
AGC解决了信号的不稳定性，对于接收端信号处理提供技术支持。
依照指标要求，-3dB带宽2△f0.7=300kHz内波动不大于2dB,同时根据发挥部分，AGC控制范围大于40dB,范围为20log（Vomin/Vimin）-20log（Vomax/Vimax）。
设计AGC参考应用可知，高频小信号放大常用通讯中，为了保证通讯的速率特性，AGC设计尽量保证电路结构简单、性能稳定、易于实现。
同时对于输入信号动态范围变化大时，AGC必须具备足够大的增益控制范围，而题目要求大于40dB即可，本次设计尽量满足要求为准，不过多超越指标。
为了使信号不失真的放大，AGC电路还应具备良好的选频特性。
而本放大器为谐振放大器，指标集中在谐振放大器上，很容易实现。
同时为了使谐振放大器性能稳定、抗干扰能力强，AGC硬件设计应慎用敏感元件，精确计算增益，加强电源滤波，合理布局布线。
2.2.3通频带
通频带定义为半功率点处，即增益最大值下降3dB内的频带宽度。
依照题目要求-3dB带宽2△f0.7=300kHz，而2△f0.7=fo/QL，其中fo=15MHz，得出有载品质因数QL=50，也就以为三级谐振放大器必须保证品质因数QL=50。
而并联谐振品质因数Q=ω0CR0=R0/ω0L，这说明要提高品质因数只能从电容、电感和谐振电阻下手。
这在电路中调试得合理搭配LCR,既要满足谐振频率，也要满足品质因素，这样才能满足在规定通频带里的放大增益。
2.2.4矩形系数
矩形系数Kr0.1=2△f0.1/2△f0.7，在满足通频带的情况下，依照发挥部分要求减小矩阵系数，只能减小△f0.1，使-20dB点在频率上移动更靠近-3dB点，曲线更陡，这样在才能减小矩形系数。
否则只能牺牲放大器的选择性，增大通频带来满足这个指标。
同时，矩形系数会随着级联增加而减小，但级数不宜太多，否则容易产生自激现象，而且功耗过大。
矩形系数的理想值为1，为了减小矩形系数，只有合理条件电感和电容值。
2.2.4放大器的稳定性
放大器的稳定性是一个重要指标，本次题目要求指标不低。
而提高稳定性，就得从抗干扰技术下手。
为了减少干扰、避免自激，可以进行级间屏蔽，减少级间干扰。
把整个电路装入屏蔽盒，减少外部噪声干扰。
外壳接地线，宽度适当大，这样能吸收高频信号，可以有效地避免高频辐射。
电路直接连线尽量短，元件管脚不宜太长，如果需要，各模块之间可采用同轴电缆连接。
模数电路隔离，电源滤波技术很重要。
在设计中通过AGC电路提高增益的稳定性，采用中和法，即外部反馈的方式解决。
在高频电路中多级放大器一直存在的一个重要问题就是高频自激震荡，而本电路设计采用的是覆铜板上焊接元器件，同时电路布局规则，采用精致外壳进行高频屏蔽，很好的解决了自激震荡现象和外部噪声的干扰，提高了系统的稳定性。
电路中干扰的另一个问题就是分布电容，这一方面只能在每级电路设计时提高抗干扰能力，防止外壳分布电容干扰。
3电路的设计
3.1系统总体框图
系统总体框图如图3.1所示，
图3.1系统总体框图
3.2衰减器电路
常用的衰减器有T型、π型、桥型衰减器，本设计采用π型衰减器电路，电阻采用千分之一精密电阻组成，电路设计如图2.1所示。
3.3一级谐振放大器电路
电路采用典型谐振放大电路，中周手工绕制，匝数比为1/2。
根据谐振频率为15MHz，选择合适的电容，组成谐振电路。
本级电路的核心器件为高频三极管2SC3358，带宽7GHz，电源采用磁珠隔离，使得本级放大倍数约103倍。
电路如图3.2所示。
3.4二级谐振放大器电路
本级采用和第一级相似的谐振电路，中周参数一样，但是增加了一个可调电位器。
级间采用电容耦合，电位器处有AGC自动增益控制接入点，电位方便调节输出电压幅值。
电路图如图3.3所示。
图3.2一级谐振放大电路图3.3二级谐振放大电路
3.5谐振功率放大器电路
谐振功率放大器采用2SC2053，输出功率为0.15mW，频率响应达175MHz,功率效率达到50%。
谐振电路部分和前两级谐振放大器类似。
3.6AGC电路
AGC电源增益自动控制：
选用高频检波二极管2AP30E检波，将获取的电压值送入低压、低功耗运放芯片OPA2277调理，依据电压跟随器和负反馈原理，使小信号输出增益提高，大信号输出增益降低，最后达到输出端电压幅值稳定的效果。
AGC电路原理图如图3.4所示。
图3.4AGC电路
3.7电源电路
题目依照要求自备3.6V稳压电源。
对于工作在高频的电源设计必须考虑电源对放大器的干扰问题。
所以本次设计的方案中采用LM317可调稳压电源芯片制作，电源电路如下图3.5所示。
图3.5电源电路
3.8扩展电路
扩展电路采用低功耗的单片机Atmega48作为处理器，既满足了功耗要求，而且还能拓展更多的使用功能，况且对谐振放大器没有干扰。
电压采样选用12位低压AD转换芯片ADS7822，接口电路为SPI总线，占用I/O口少，功耗低。
扩展电路增加了数码管显示端和按键输入端，可以显示信号放大后的峰峰值和有效值。
AD电路如图3.6所示。
图3.6AD采样电路
4测试方案与测试结果
4.1测试仪器和设备：
序号
名称
型号
数量
1
数字频率特性测试（30MHz）
SA1030D
1
2
Aglilent示波器（500MHz）
DS06054A
1
3
DDS函数信号发生器
TFG6080
1
4
超高频毫伏表
DA22B
1
5
稳压电源
LPS202A
1
6
FLUKE万用表
17B
1
4.2测试方法和步骤：
4.2.1增益测试
测试方法和步骤：
多次检查电路无误、各模块固定后，连上阻值为200Ω的负载电阻进行测量，将调节信号源的输出频率设定为15MHz,，按步进值为1mV进行有效值自1mV至5mV的调节。
放大器信号输出端采用示波器显示波形和有效值，读取5组数据，每组数据选取波动最大值和最小值，记录数据。
测试仪器：
示波器DS06054A，DDS函数信号发生器TFG6080。
4.2.2功耗测试
测试方法和步骤：
放大器接上电源，连上阻值为200Ω的负载电阻进行测量，调节输出端电压有效值为1V，万用表调节在电流测试状态，串联在电源输入端，读出三组电流值。
断开电源，测量空载电源电压值，计算功率。
测试仪器：
万用表17B。
4.2.3带宽和矩形系数测试
测试方法和步骤：
在阻值为200Ω的负载电阻的条件下进行测量，通过扫频仪给放大器输入的扫描信号，从输出端提取到放大器放大后的信号进行显示。
扫频仪参数设定，输入增益为0dB，输出增益为-65dB，增益刻度0.141/div，中心频率为15MHz，带宽设定为3MHz，线性增益。
移动光标读出增益下降至增益的0.707处左边和右边的频率差值，同理下降至增益的0.1处左边和右边的频率差值。
计算出带宽和矩形系数。
测试仪器：
数字频率特性测试仪SA1030D。
4.2.4AGC增益范围测试
测试方法和步骤：
在阻值为200Ω的负载电阻的条件下进行测量，将信号源输出的小信号给LC谐振放大器，输出值用示波器显示。
调节信号源的输出电压为有效值，从1mV开始增加，在示波器上观察波形失真情况，直到示波器上的显示信号出现明显失真时，读取示波器和信号源的电压有效值，计算增益控制范围。
测试仪器：
示波器DS06054A，DDS函数信号发生器TFG6080。
4.3测试结果及分析
4.3.1测试结果
电压增益测试结果：
序号
Virms（mV）
Vorms（V）
放大倍数
增益A（dB）
增益波动
1
1
1.101
110100
100.836
0.453
1
0.992
99200
99.930
2
2
1.131
56550
95.0487
0.257
2
1.066
53300
94.535
3
3
1.121
37366
91.449
0.113
3
1.092
36400
91.222
4
4
1.097
27425
88.763
0.163
4
1.139
28475
89.089
5
5
1.139
22780
87.151
0.081
5
1.118
22360
86.989
功率损耗测试结果：
序号
电源电压（V）
电流（mA）
功率（mW）
1
3.601
39.38
141.81
2
3.602
39.39
141.88
3
3.601
39.39
141.84
平均功耗
141.84
带宽和矩形系数测试结果：
类别
左偏差（KHz）
右偏差（KHz）
结果（KHz）
0.707
156
144
300
0.100
980
840
1820
矩形系数
6.067
测试得到放大器带宽300KHz，矩形系数为6.067。
AGC增益范围控制测试结果：
从0.5mV增加到约230mV时有明显的失真，经过计算，增益控制范围最大为46dB。
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据，基本要求和扩展部分要求都基本达到，由此可以得出以下结论：
1、衰减器的衰减量为40±1.8dB，特性阻抗为50Ω，频带与放大器相适应。
2、输入电阻50Ω，电压增益最大为100.8dB，5mV时也能达到87dB。
3、-3dB带宽为300KHz，带内波动小于2dB。
5、3.6V电源供电放大器的最大功耗不超过142mW，加上扩展电路总功耗约为272mW，整体上满足功耗不超过360mW。
6、带上200Ω负载输出1V时，信号无明显失真。
7、矩形系数为6.067，虽然离理想1较远，但此项指标没明确要求。
8、AGC增益控制范围为46dB，大于40dB。
信号输出电压有效值稳定，整个设备稳定性良好。
综上所述，本设计达到设计所有要求。
附录：
LC谐振电路主原理图
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