低功耗 LC 谐振放大器-HLJ-d-026

1、-加密号：加密号：学校编号：HLJ-D-026 学校名称：哈尔滨工程大学 队员姓名：卢建霖、曾梦泉、李金奇 赛点负责人： 教务处章 2011年9月3 日摘要本系统为一个低压、低功耗LC谐振放大器，放大部分采用高频晶体管2SC3355来实现。放大器前端40dB固定衰减器为一个特性阻抗为50的型衰减网络。LC谐振放大器中心频率=15MHz，其-3dB带宽为300KHz，带内波动小于2dB。该放大器增益大于80dB，输入阻抗为50，可在200的负载阻抗下输出有效值为1.2V的无失真波形。该LC谐振放大器采用了双调谐选频，其矩形系数明显小于单级并联谐振。接入AD8367自动增益控制电路（AGC），AG

2、C的控制范围大于40dB。由于采用晶体管来实现放大，最终该LC谐振放大器的总输入电压为3.6V，总输出电流为40mA，总输出功率为144mW，完全的符合低压、低功耗的需求。关键词：LC谐振放大器、2SC3355、AGC电路、双调谐1、题目概述与方案论证题目的任务：设计并制作一个低压、低功耗 LC 谐振放大器；为便于测试，在放大器的输入端插入一个 40dB 固定衰减器。电路框图见图 1.1。图1.1电路框图1.1基本要求（1）衰减器指标：衰减量 402dB，特性阻抗 50，频带与放大器相适应。（2）放大器指标：a） 谐振频率：=15MHz；允许偏差100kHz；b） 增益：不小于 60dB；c）

3、 3dB带宽：2=300kHz；带内波动不大于2dB；d） 输入电阻：=50；e） 失真：负载电阻为200，输出电压 1V时，波形无明显失真。（3）放大器使用3.6V稳压电源供电（电源自备）。最大不允许超过360mW，尽可能减小功耗。.2发挥部分 （1）在-3dB 带宽不变条件下，提高放大器增益到大于等于 80dB。（2）在最大增益情况下，尽可能减小矩形系数 。（3）设计一个自动增益控制（AGC）电路。AGC控制范围大于 40 dB。AGC 控制范围为 20log(/)20log(/)（dB）。（4） 其他。、系统方案论证总体方案一：系统方框图如图2.1所示，系统由衰减网络、集成运算放大、LC

4、谐振选频、电压跟随器、双栅场效应管构成的AGC电路组成。集成运算放大器完成电压信号的放大，LC回路谐振在15MHz实现选频功能，射随电路将前后级阻抗匹配，双栅场效应管搭建的AGC电路在满足自动增益控制的同时又可保证功率输出。图2.1总体方案一总体方案二：系统方框图如图2.2所示，系统由衰减网络、集成放大电路、双调谐选频、电压跟随器、AD8367构成的AGC电路以及功率推动级组成。甲类谐振放大器对输入信号进行选频和放大，可避免放大其他频率的噪声信号，双调谐回路能够保证系统满足300KHz的同时具有较好的矩形系数。使用集成芯片AD8367搭建AGC电路，其最大输入信号=2V，最大输出信号=1V，所

5、以为了满足题目放大器增益要求，在AGC电路后需对信号再进行一次放大，才能输出1V的有效值。图2.2总体方案二 总体方案比对：前级放大器：方案一前级放大器选用运算放大器电路调试简单方便、线性度好、波形完美，但是功耗较大，并且集成运放供电电压为通常为5V以上，集成运放想要正常工作需要额外加入升压电路和电压转换电路，加大硬件调试难度而且成本太高。方案二前级放大器用分立元件三极管搭建，成本低廉且容易买到、供电电压范围宽、功耗低，所以前级放大器应选用分立器件三极管搭建的LC谐振放大器。谐振回路：方案一选择多级LC谐振搭建简单，带宽也可满足300KHz的条件，但是矩形系数不会有太大改善，方案二采用双调谐电

6、路，在满足300KHz的条件下也能减小矩形系数，故谐振回路我们选择双调谐回路。AGC电路：方案一的AGC电路选用双栅场效应管，带载能力强，亦可满足输出1V有效值的需求，但是由双栅场效应管搭建的AGC电路控制范围很难达到题目要求，方案二由AD8367搭建的AGC电路控制范围满足需求，但对输入幅度和输出幅度有较大的要求，需要额外加入放大电路。为满足题目需求，我们采用AD8367搭建的AGC电路。综上所述，方案一硬件要求高，集成运放附属电路复杂，AGC电路局限性大，方案二成本低廉，功耗低，单级电路简单，AGC电路可控性强，考虑到方案合理性、可行性、成本等综合因素，我们将方案二定为本系统最佳方案。、理

7、论分析与计算3.1放大器的增益计算LC谐振放大电路前级由高频小信号放大器构成，其电路原理图如如图3.1所示：图3.1高频小信号放大器原理图其静态工作点与甲类放大静态工作点计算类似，公式如下：电压增益 放大器输出电压Vo与输入电压Vi之比，称为放大器的增益或放大倍数，用A v表示（有时以dB数计算）。电压增益 ：Av=(Vo/Vi)分贝表示 ：Av=20lg(Vo/Vi)题目要求电压增益不小于60dB，又有Au0=Au1*Au2=60dB，所以每一级的电压增益应大于等于30dB，则有 由此可以计算每一级的导纳。放大器的通频带放大器的电压增益下降到最大值的 0.7（即 1/ ）倍时，所对应的频率范

8、围称为放大器的通频带，用Bw=2f 0.7表示。2f 0.7 也称为 3 分贝带宽。由于放大器所放大的一般都是小信号，输入的信号都包含一定的频谱宽度，所以放大器必须有一定的通频带，以便让必要的信号中的频谱分量通过放大器。 放大器的通频带决定于回路的形式和回路的有载品质因数QL。此外，放大器的总通频带，随着级数的增加而变窄。并且，通频带愈宽，放大器的增益愈小。3.2AGC电路的基本原理AGC电路原理图如如图3.2所示：图3.2AGC原理图自动增益控制电路的作用是：当输入信号电压变化很大时，输出电压恒定或基本不变。具体地说，当输入信号很弱时，自动增益控制电路不起作用；当输入信号较强时，自动增益控制

9、电路进行控制，输出幅度固定在某一特定值，使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制。所有实现这种功能的电路简称AGC环。AGC环是闭环电子电路，是一个负反馈系统，它可以分成增益受控放大电路和控制电压形成电路两部分。增益受控放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压而改变。控制电压形成电路的基本部件是 AGC 检波器和低通平滑滤波器，有时也包含门电路和直流放大器等部件。放大电路的输出信号u0 经检波并经滤波器滤除低频调制分量和噪声后，产生用以控制增益受控放大器的电压uc 。当输入信号ui增大时，u0和uc亦随之增大。uc 增大使放大电路的增益下降，从而使输出信号的变化量显著小于输入信号的变

10、化量，达到自动增益控制的目的。3.3带宽与矩形系数计算单调谐回路放大器的矩形系数远大于1，也就是它的谐振曲线与矩形相差较远，选择性较差，根据矩形系数的定义 Am义为m级放大总增益 所以m级单调谐谐振谐振放大器的矩形系数为m越大，级数越多时，矩形系数越小，选择性越好。同时有电路的Q值越大，级数越多，带宽越小。双调谐的频率选择性与多级的单调谐选频回路相比具有更好的矩形系数。、电路设计4.140dB衰减器原理图根据题目要求，衰减器衰减量为402dB，特性阻抗为50，我们采用了常用的型电阻衰减网络。如图4.1所示，为了增加衰减电路的精确度，我们所用的电阻均为1%的金属膜电阻。图4.1型衰减网络电路图根

11、据仿真软件RFSim99仿真40dB衰减器，误差为1%。如图4.2所示： 图4.2RFSim99对衰减器的仿真经由实际检测，该衰减器输入1Vpp的15MHz的信号，实际输出由高频毫伏表测量得出，约为3.5mV。4.2前置小信号LC谐振放大（两级小信号谐振放大）60dB的增益由2级晶体管放大来实现，由于三极管2SC3355自身输入阻抗较大，输入端并联51的电阻，最终并联后总输入阻抗为50。集电极接入电感量为3.3uH的绕制电感，对地并联一个5-30pF可调电容，电感电容形成LC谐振。原理图如图4.3所示：图4.360dB增益电路4.3双调谐选频双调谐选频经过变压器阻抗阻抗变换输入，它与单级谐振相

12、比，同样能保证300KHz的带宽，但是双调谐选频保证带宽的同时可大幅降低矩形系数。其主要原理图如4.4所示。电感选则采用磁环缠绕的自制电感，Q值230，电感量约4.5uH,电容采用5-30pF可调电容。图4.4双调谐电路4.4射极跟随器电压跟随器在电路中起到隔离的作用，而且射随输入阻抗高，输出阻抗低，起到阻抗变换的作用，实际的电路将集电极电阻换为电感，起到降低电路损耗、改善波形的作用，其电路原理图如图4.5所示。图4.5射极跟随电路图 经过实际测试我们输入0.5V信号，输出0.442V信号，满足实际需求。4.5AGC电路 根据题目要求，AGC电路采用ADI公司推出的宽电压低功耗芯片AD8367

13、来实现。AD8367可工作在VGA(可变增益放大器(VGA)用于多种远程检测和通信设备中。从超声波、雷达、激光雷达、无线通信到语音分析等应用都采用可变增益来增强动态性能。)和AGC模式，当工作在AGC模式时，只需要将检波输出引脚返回到增益控制引脚，检波输出的电压与内部基准进行比较，进而形成一个闭环控制系统。AGC电路原理图如如图4.6所示：图4.6AGC原理图5、测试方案与测试结果5.1各项测试仪器的说明参数该放大器测试仪器见表5.1。表5.1测试仪器说明参数表仪器名称重要参数1.RIGOL DS 5102C 双通道数字示波器100MHZ 250MS/s 输出阻抗1M2.BT3CRF宽带扫频仪

14、150M3.SG1056B 高频标准信号发生器40MHZ 输出阻抗504.T5100 示波器高频探头1: 5MHZ 105pF 1M10: 100MHZ 16pF 10 M5.EM1716直流电源无6.DA36A型超高频毫伏表无7.TFG3050LDDS信号源50M 带频谱分析以及调制等功能测试说明：所用到的电压值均为有效值，扫频仪型号为BT3CRF宽带扫频仪。（1） 衰减器技术指标测试 由TFG3050LDDS信号源产生15MHz的不同幅度的信号，输出接DA36A型超高频毫伏表测量输出信号，测量数据如表5.2所示：表5.2衰减器技术指标测试表输入信号/V输出信号/V衰减量/dB30.0274

15、0.920.01840.90.30.002840.60.020.0001840.90.0050.00004740.5（2） 谐振频率：使用扫频仪BT3CRF宽带扫频仪测试该系统的谐振频率。首先，扫频仪校准15MHz频点，扫频仪标频方式选择外标频，外标频输入由TFG3050LDDS信号源提供，通过调整X轴与Y轴的位移和幅度，改变扫频宽度，极性选择+极性，DC/AC选择AC档位，最终将15MHz的频点定格在扫频仪显示屏幕的中间。其次，将扫频仪RF输出端接入LC谐振放大器信号输入端，给LC谐振放大器上电，观测扫频仪屏幕有无变化，通过不断调整电路，使谐振曲线峰值定在15MHz。LC谐振放大器谐振频率测

16、试最终如图5.1所示，=15.0MHz40KHz， 图5.1扫频仪测试系统谐振频率（3） 系统增益测试测试LC谐振放大器增益，输入信号由TFG3050LDDS信号源提供，将各级电路完整的连接起来（不包括AGC电路），用DA36A型超高频毫伏表测量实际输出，测试数据见表5.3输入信号/V输出信号/V电压增益/dB0.0040.546460.0050.645460.0060.75245.80.0091.10345.8表5.3 系统增益控制放大器增益为系统增益加40dB,所以放大器的增益约为85.9dB（4） 中心频率为15M，-3dB带宽2=300KHz，实际测量结果如图5.2与图5.3所示 图5

17、.2 通频带300KHz的测量 图5.2 中心频率为15MHz（5） 放大器约输入阻抗为50。（6） 负载电阻200，接入DS1102E型示波器输出3.56V峰峰值，有效电压为1.26V，波形如图5.2所示，无明显失真。图5.2200输出波形图（7） 功耗测试：系统供电电压3.6V消耗电流40mA所以系统功耗144mW，小于360mW。（8） 在最大增益下，、 故矩形系数=6.0（9） AGC电路自动增益控制=20mV，=2.8V；=1.10V，=1.15V,20log(/)20log(/)=42.5dB。（此处电压为峰峰值）5.2结论与结果分析经测试我们的LC谐振放大器谐振中心频率为： =15MHz；放大器增益为82dB；3dB带宽：2 330kHz；负载