LC谐振功率放大器的设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上LC 谐振放大器（D 题）【本科组】摘要：该LC谐振放大器大体由电源电路，衰减电路以及主要的LC谐振放大电路三部分组成。其电源电路部分采用直流稳压的技术输出稳定的3.6V电压，为谐振放大电路提供电源；再采用高精度的电阻拼接形成40dB的固定衰减器在放大器的输入端插入以便于测试；LC谐振放大电路是基于高频放大合成技术，这部分的制作利用了相关电路为辅助工具来调试放大电路， 解决了放大电路中经常出现的自激振荡问题，难以准确的调谐问题和实现放大器与前后级的阻抗匹配问题。同时也给出了具体的理论依据和调试方案， 从而实现了快速、有效的分析和制作高频放大器。多次的实验结果证明了方法

2、的有效性。从而使LC谐振放大器到达低压，低功耗的设计要求.关键词：稳压电源，衰减，LC谐振放大，自激振荡，阻抗匹配目录1、系统设计1.1设计要求1.1.1任务设计并制作一个LC 谐振放大器1.1.2要求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图1 电路框图基本要求（1）衰减器指标：衰减量40±2dB，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：f0 =15MHz；允许偏差±100kHz；b） 增益：不小于60dB；c）3dB 带宽：2f0.7 =300kHz；带内波动不大于2

3、dB；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。 1.1.3 说明 （1）图2是LC 谐振放大器的典型特性曲线，矩形系数Kr0.1= 。图2 谐振放大器幅频特性示意图（2）放大器幅频特性应在衰减器输入端信号小于5mV 时测试（这时谐振放大器的输入Vi<50V）。所有项目均在放大器输出接200 负载电阻条件下测量。（3）功耗的测试：应在输出电压为1V 时测量。（4）文中所有电压值均为有效值。 1.2 设计的总体方案 1.2.1设计思路 题目要求设计一个

4、LC谐振放大器。设计分为电源电路，衰减电路以及主要的谐振放大电路。电源部分采用直流稳压的技术输出稳定的电源电压；衰减部分采用高精度的电阻拼接组成一个40dB的固定衰减器插入到放大器的输入端，方便于测试；谐振放大电路以晶体管为核心，以 LC谐振回路作为晶体管的负载起到选频滤波以及阻抗匹配的作用。但要注意的是放大电路是由输入信号的频带来确定，为了不放大地失真，要求放大电路的通频带应大于信号的频带。为了尽量地使LC谐振放大器达到低压、低功耗，必须采取有效的措施。1.2.2 方案的论证与比较（1）衰减模块的方案论证与选择方案一：采用特定的输入阻抗。将特定阻抗高的通过在输入端简单的串联一个电阻来实现对信

5、号的衰减，如图 3所示，R用来衰减进入设备的信号电压，但是它导致从源端看进去的输入阻抗为图3 简单的衰减器方案二；电路在不改变等效阻抗的前提下实现对信号电压的衰减，图中增加的两个电阻可以保持等效电阻不变。其电路设计如图4所示图4 T型网络衰减器方案的选择：根据电路的分析，方案一的方法会让你容易会导致信号的不匹配，而方案二的电路可以在不改变等效阻抗的前提下就可以实现对信号电压的衰减，这种方法的衰减效果既好又可以达到题目要求。故本系统选用方案二。（2）谐振放大模块的方案论证与选择方案一：制作一个直流稳压电源电路为谐振放大电路提供电源，用低频放大实现电路的放大，高效率的输出，从而完成放大器的制作。方

6、案二：同样利用直流稳压电源电路为谐振放大电路提供电源，利用LC振荡电路为辅助，来消除放大器的自激振荡和实现准确地频率选择，另加一些辅助电路，实现放大器的一些阻抗问题。方案的选择：由于低频功放的负载不能采用调谐负载，而要用电阻，变压器等非调谐负载。而高频功放的工作频率很高，可由几百千赫到几百兆赫，甚至几万兆赫，同时，在高频电路中利用LC振荡电路为辅助，还可以消除放大器的自激振荡和实现准确的频率选择。因此应该选择方案二的选频网络作为负载，实现谐振功率放大器。2、单元电路设计 2.1 电源电路的设计 该电源电路为谐振放大器的制作提供了电源，为谐振的放大提供了基础。其电路设计如图5所示图5从电路中可以

7、看到，78055的输入输出端都接有电容，而且是一大一小，大容量电容是低频滤波作用，小容量电容是高频滤波用；然后在电路中加入稳压二极管使5V的电压转变为3.6V电压。其该电源电路抗干扰性能好，稳压精度高，响应快，电路简单，工作可靠。2.2 衰减电路设计衰减电路的设计为谐振放大的测试提供了方便，同时为了达到3dB要求带宽，特性阻抗保持50欧，设计电路图采用精密电阻，以便有效提高衰减量精确度及减少温漂影响。 根据电路分析，不改变等效阻抗的前提下就可以实现对信号电压的衰减，其理论的计算及分析如下：设输入电阻等于,则可得 （1）又根据电路输入电压和输出电压的关系可得 （2）联立方程（1）和（2），可解得

8、和2.3 谐振放大电路设计2.3.1 高频LC谐振放大器的原理电路图谐振放大器的基本框图上图是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路。除电源和偏置电路外，它是由晶体管，谐振回路和输入回路三部分组成。高频功放中常采用平面工艺制造的NPN高频大功率晶体管，它能承受高电压和大电流，并有较高的特征频率。晶体管作为一个电流控制器件，它在较小的激励信号电压作用下，形成基极电流iB，iB控制了较大的集电极电流iC，iC流过谐振回路产生高频功率输出，从而完成了把电源的直流功率转换为高频功率的任务。为了使高频功放以高效输出大功率，常选在丙类状态下工作，为了保证在丙类工作，基极偏置电压应使晶体管工作在截止区，一

9、般为负值，即静态时发射结为反偏。此时输入激励信号应为大信号，一般在0.5V以上，可达1到2V，甚至更大。 晶体管的作用是将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。线路特点：(1) LC谐振回路作为晶体管的负载起到选频滤波以及阻抗匹配的作用。(2)电路工作在丙类工作状态以保证电路效率较高；基极负偏压（或零偏压）。关系式：(1)外部电路关系式：(2)晶体管的内部特性: (3)（半）导通角：根据晶体管的转移特性曲线可得：即集电极的导通角是由输入回路决定的。必须强调指出：集电极电流ic虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。2.3.2高频功率放大器的特性曲

10、线放大器的特性曲线图 功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之一部分转变为交流信号功率输出去，另一部分功率以热能形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。根据能量守衡定理： 直流功率: 输出交流功率：-回路两端的基频电压 -基频电流 -回路的负载阻抗 图解分析法的步骤： (1)测出晶体管的转移特性曲线及输出特性曲线，并将这两组曲线折线化处理；(2)作出不同工作状态下的动态特性曲线；(3)根据激励电压的大小在特性曲线上画出对应输出电压和电流脉冲的波形；(4)分析功放的外部特性，即分析放大器的外部供电电压或负载的变化将如何影响输出电压、输出电流、输出功率

11、、效率等指标的。晶体管的特性曲线及其特性方程：由图可见，在放大区，有转移特性方程：所以，集电极电流随激励而正向变化。在饱和区，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。因此有临界线方程：在截止区，有方程： (当 时)谐振功率放大器的动态特性曲线（负载线）高频放大器的工作状态是由负载阻抗、激励电压、供电电压等4个参量决定的。如果, 3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。所谓动态特性是和静态特性相对应而言的，在考虑了负载的反作用后，所获得的 的关系曲线就叫做动态特性。2.3.3 高频功率放大器的

12、外部特性 高频放大器的负载阻抗、激励电压、供电电压、4个外部变量会影响放大器的工作状态、功率及效率等。2.3.4 技术指标(1) 电压增益: (2) 通频带BW:(3 ) 选择性矩形系数: = 。2.3.5 谐振放大器的质量指标（1）增益(放大系数)放大器的电压咱益下降到最大值的O.707 倍时，所对应的频率称为放大器的通频带电压增益： 分贝表示 (2 )通频带由于谐振回路的选频作用， 当工作频率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数下降。故习惯上称电压放大倍数下降到谐振放大电亚放大倍数的O.707倍时，一般用 表示其数学表达式为QL:为回路的等效品质因数（3） 选择性选择性是指放大器从含有件种

13、不同频率的信号总和(有用的和有害的)中选出有用信号， 排除有害( 干扰)信号的能力。及选择性指标是针对抑制干扰而言的。一般是用谐振曲线的矩形系数KrO.1 来表示。 矩形系数矩形系数是指电压放大倍数下降到谐振电压放大倍数Avo的O.1倍时所对应的频率范围与电压放大器倍数下降到O.707Avo时对应的频率偏移之比。其数学表达式为KrO.1=按理想情况，谐振曲线应为一矩形为了表示实际曲线接近理扭曲线的程度，引入“矩形系数”，它表示对邻道干扰的抑制能力2fO.1, 2f0.01分别为放大倍数下降至O.1 和0.01处的带宽， Kr愈接近于l越好。矩形系数KrO.1 愈接近1则实际曲线愈接近理想矩形，

14、邻近波道选择性愈好， 滤除邻近波道干扰信号的能力愈强。但单调谐回路放大器的矩形系数远大于1 ， 这是单调谐回路放大器的缺点。故实际工程应用中，通采用多级谐振放大端。抑制比表示对某个干扰信号fn的抑制能力，用dn表示的为干扰信号的放大倍数，Av0为谐振点fO的放大倍数3、系统测试3.1 测试主要仪器 a、VC9805A万用表b、SDS1022C数字示波器c.SP1641B函数信号发生器/计数器3.2 测试的主要方法（1）部分的测试方法对各个电路进行测试，达到要求后拼接在一起（2）整体的测试方法将各模块电路连起来，整机调试，并测量该系统的各项性能指标。3.3 测试结果及分析 根据测试得出下列结果（

15、1）无负载时测试将输入为220V的直流变压器用数字万用表测试输出12V交流，经整流滤波稳压之后得出3.6V的直流电源。4、结论 通过对实际电路的分析，结合实际实验，并利用其它电路作为辅助，提出了一种制作写真了放大器的有效方法，解决了再制作高频放大器时经常出现的自激振荡，频率难以确定以及电路中各级间阻抗不匹配问题。5、心得体会这次电路设计主要是对谐振放大电路这部分知识的应用。通过设计高频放大器，进一步将理论转化成实践，并在实践中检验理论。本次的设计，是设计一个丙类谐振功率放大器。通过分析最大输出功率与输出阻抗的关系从而确定匹配网络，进而确定电路中的参数，从而设计出丙类谐振放大器的电路图。在设计完

16、电路之后，再用示波器去仿真设计完的电路，通过观察输出的电压的波形与幅值进一步求出输出功率，验证是否与理论值相一致。通过观察不同输出电阻时的输出功率，来了解输出电阻对输出功率的影响，并验证理论当中输出负载对输出功率的影响。电路设计是培养学生综合运用所学知识，是发现、提出、分析和解决实际问题、锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。这次的电路设计，加深了我对电子电路理论知识的理解，并锻炼了实践动手能力，具备了高频电子电路的基本设计能力和基本调试能力 。 这次的电路设计我感慨颇多。的确，从选题到定稿，从理论到实践，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有

17、学到过的知识。通过这次电路设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正学到属于自己的知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到的问题，可以说得是多如牛毛，因为基础不牢固，再加上缺乏实际设计及动手的经验，所以难免会遇到过各种各样的问题。同时在设计的过程中我也发现了自己的很多的不足之处，比如说发现自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。不过，这次实验的最大收获就是锻炼了我独立思考的能力，由于参数的计算有点复杂，需要自己独立思考各个参数的意义和各个参数之间的联系，这就要求我

18、在设计过程中必须认真思考，绝不能马虎，否则，算出来的可能就是错误答案。而参数不对，最终将直接影响到仿真的结果。 虽然我现在已经初步学会了如何设计符合要求的高频谐振功率放大器，但是离真正能够利用已学的知识自由设计使用电路的还有一段的距离。设计的这段时间我确实受益匪浅，不仅是因为它发生在特别的实践，更重要的是我的专业知识又有了很大的进步，因为进步总是让人快乐的。参考文献1. 谢嘉奎.高频电子线路M(第二版).北京：高等教育出版社，19842.武秀玲，沈伟慈.高频电子线路M.西安：西安电子科技大学出版社，19953. 张肃文等.高频电子线路M(第四版).北京：高等教育出版社，20044. 路而红等.虚拟电子实验室M.北京：人民邮电出版社，20065 清华大学通信教研组.高频电路M.北京：人民邮电出版社，19796.吴运昌.模拟集成电路原理与应用M.广州：华南理工大学出版社，2001年第一版7.全国大学生电子设计竞赛组委会.第五届全国大学生电子设计