LC谐振放大器的设计研究.docx

2011年全国大学生电子设计竞赛（D题）LC谐振放大器的设计研究组员:吴傲寒 冯彦平 赵晓兵摘要：本放大器由全通衰减器，三级LC谐振放大器、自动增益控制电路（AGC）构成。输入信号首先经过全通衰减器衰减－40dB（±2dB），再经过三级LC谐振放大器放大60dB以上，最后输出。全通衰减器的特征阻抗为50Ω，其作用是在20MHz 频带范围内，首先将输入信号衰减－40dB（±2dB）；三级LC谐振放大器由两级单调谐放大电路和一级双调谐放大电路构成。 AGC采用正向AGC电路，通过将谐振放大器的输出进行平均值检波转变成直流电平，再反馈到第一、二级的基极，通过改变其集电极偏置电流来改变放大倍数，控制谐振放大器的增益范围。测试结果：电路完全满足基本要求。发挥部分：除增益为67dB外，其余部分均已完成设计制作及初步测试。关键词：全通衰减器单调谐放大电路双调谐放大电路三级LC谐振放大电路 AGC 一、系统方案1、方案论证与比较分析题目各项要求，衰减器、LC谐振放大电路和AGC电路是本题的重点，方案论证主要围绕这几个模块展开论证。1.1、衰减器模块方案论证方案一：采用LC滤波电路方案。通过Filter Solution 可以方便地设计出LC带阻滤波电路来实现前级衰减。该方案虽然不损耗信号能量，但是衰减信号让噪音通过衰减器到达后级放大电路，对后级电路造成干扰。故不选则此方案。方案二：采用全通电路方案。运用电阻分压原理，可以比较方便的设计出通频带包含15MHz衰减40dB的电阻网络衰减器。虽然信号能量在电阻上会有损耗，但是考虑到信号经LC 谐振放大后可能会超出扫频仪的量程，所以前级有衰减可以帮助完成调试，故选择此方案。1.2、LC 谐振放大器方案论证谐振放大器级数的论证：题目要求LC谐振电路增益不小于60dB,考虑到高频放大电路单级放大不宜超过25dB,故初步设计LC 谐振放大器为三级放大模式。三极管接法的论证：考虑到共基放大电路的，主要适合宽带放大，而此处是窄带放大，故不选择共基。共集放大电路的电压放大倍数小于1，当然不能用，所以选用共射谐振放大电路增益高，适合窄带放大。谐振放大器类型的论证：题目发挥要求矩阵系数Kr0.1越小越好。而单调谐放大器矩形系数一定，Kr0.1=9.95。故电路中需要加入双调谐放大电路来改善放大器的矩形系数Kr0.1。又因为双调谐放大电路调节较复杂，故仅将第二级设置为双调谐放大电路，其它两级皆为单调谐放大电路。综上考虑， LC三级谐振放大电路依次为单调谐共射谐振电路，双调谐共射谐振电路和单调谐共射谐振电路。预设每级增益倍数皆为20dB。1.3、阻抗匹配方案论证设计要求：输入阻抗Ri=50Ω，而单调谐放大电路的输入阻抗约为200Ω左右，所以需要在放大电路前加上阻抗转换电路来实现阻抗匹配。这里采用LC选频匹配电路，中心频率为15MHz，满足上述阻抗变换要求。1.4、AGC电路方案论证方案一：反向AGC电路。反向AGC通过减少集电极电流来减少增益，其优点是所需控制功率小，对增益一频率特性影响小，缺点是AGC电压引起的非线性失真较大。方案二：正向AGC电路。正向AGC通过增加集电极电流来减少增益，通过检波二极管，将输出交流信号转变为直流电平，反馈到第一、二级的基级。通过改变基级电压大小的方式改变谐振放大电路的增益倍数。正向AGC的优点是增益控制范围大，非线性失真小。缺点是需要较大的控制功率。设计要求：功耗为360mA,采用正向AGC完全没问题，故采用此方案。在增益达到65dB时，AGC电路控制第一级，使增益下降到62dB（±2dB），如果输入信号强度再增加，再次达到65dB，则AGC电路控制开始控制第二级，使增益再次下降到62dB（±2dB）。2、放大器总体方案框图基于以上分析放大器方框图如下图1所示:图1放大器方案框图二、理论分析与计算2.1、增益理论分析图2. 单调谐小信号放大器图3. 单调谐放大器等效电路图4. 单调谐放大器增益的频率响应曲线增益为：上式中为，n1，n2接入系数，gie, Cie为晶体管输入电导、电容，goe, Coe为晶体管输出电导、电容；geo为谐振回路的等效谐振电导：谐振频率：回路有载Ｑ值带宽谐振频率处放大器的电压增益矩形系数2.2、AGC增益控制的理论分析图5. AGC控制原理框图AGC分为正向AGC和反向AGC电路。反向AGC通过减少集电极电流来减少增益，其优点是所需控制功率小，对增益一频率特性影响小，缺点是AGC电压引起的非线性失真较大。正向AGC电路。正向AGC通过增加集电极电流来减少增益，通过检波二极管，将输出交流信号转变为直流电平，反馈到第一、二级的基级。通过改变基级电压大小的方式改变谐振放大电路的增益倍数。正向AGC的优点是增益控制范围大，非线性失真小。缺点是需要较大的控制