LC谐振放大器(李军组)

1、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60dB 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。系统设计合理，测试结果表明系统在工作频率15MHz ，带宽300KHz 条件下，增益可达107.6dB ，矩形系数小于2，AGC 控制范围大于50dB ，满足所有设计指标要求。1 系统方案论证本设计要求在低电压（

2、3.6V ）电源供电的前提下，设计实现一种增益不低于80dB 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。其系统总体框图如图1所示。 图1 系统总体框图1.1 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

3、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200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。1.2 AGC 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

4、振放大器工作范围。1.3 系统工作描述本系统的基本工作过程如下：输入信号经60dB 衰减（含探头20dB 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。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80dB 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011v fs fsA g g =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

5、放大电路，每级放大器增益约15dB 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 0.7(2 n Lf = 0.10.722r f K f =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。 f ）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2.3 AGC 电路分析反馈分流式AGC 对放大器的控制作

6、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V i 的动态范围、输出信号振幅或有效值V O 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：m ax m ini i i V M V =或m ax m in( 20lg(i i i V M dB dB V =输出信号动态范围：m ax m ino o o V M V =或m ax m in( 20lg(o o o V M dB dB V =增益控制动态范围：m ax m in m in m in m ax m ax m inm ax m axm i

7、ni i i o i G oo o o i M V V A A M V V A =式中，m ax A 为系统最大增益，min A 为系统最小增益。动态增益控制范围常用dB 数表示：m ax m in( 20lg20lg(i G oM A A dB dB M A =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 型网络或型网络，由于其特性阻抗为50，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1.25k 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

8、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200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

9、，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：Tektronix TDS1012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。 4.2 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。 （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

10、的相对电压值。 （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200负载。 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V K ；输入15MHz 、5mV 信号，断开AGC 采样电路，测量输出电压，并计算增益G 1；外加AGC 控制直流电压V K ，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V in 和输出信号V o ，并计算增益G 2；由此得到AGC 控制范围G = G1- G 2。 3、测试结果分析通过对本

11、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。（正文完）参考文献1 黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛系统设计M.北京：北京航天航空大学出版社，2006.2 张肃文高频电子线路M北京：高等教育出版社，2004.3 谢自美电子线路设计·实验·测试武汉：华中科技大学出版社，200