電子大賽設(shè)計報告

LC諧振放大器〔D題）摘要本設(shè)計由衰減電路、小信號放大電路、穩(wěn)壓電路三個功能模塊組成。衰減電路采用集成芯片小信號放大電路采用變壓器TRF1445反饋式LC振蕩電路實現(xiàn)信號選頻，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的15MHz的信號源，運(yùn)用S9018三極管實現(xiàn)高頻小信號的60dB放大。穩(wěn)壓電路是以三端可調(diào)式穩(wěn)壓器LM317為主體的可調(diào)的穩(wěn)壓器。經(jīng)測試，整機(jī)功能齊全，輸出信號幾乎不失真，功耗低等各項性能指標(biāo)到達(dá)指標(biāo)要求。關(guān)鍵詞：LC振蕩，高頻小信號，三極管放大系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計任務(wù)與要求任務(wù)：設(shè)計并制作一個LC諧振放大器。要求：設(shè)計并制作一個低壓、低功耗的LC諧振放大器，為便于測試，在放大器輸入端插入一個40dB的衰減器。電路框圖見圖0?！矆D1〕基本要求衰減指標(biāo)：衰減量40dB±2dB，特性阻抗50Q，頻帶與放大器相適應(yīng)。放大器指標(biāo)：諧振頻率：f0=15MHz；允許偏差土100KHz；增益：不小于60dB；-3dBD帶寬：2V.7=300KHz；帶內(nèi)波動不大2dB；輸入電阻：Rn=50Q；失真：負(fù)載電阻為200Q，輸出電壓1V時，波形無明顯失真。(3)放大器使用3.6V穩(wěn)壓電源供電〔電源自備〕。最大不允許超過360mV，盡可能減小功耗。系統(tǒng)設(shè)計方案〔1〕高頻小信號放大設(shè)計方案采用集成運(yùn)算放大器芯片級聯(lián)構(gòu)成。集成運(yùn)放芯片使用簡單，精度高，但是采用這種方案，很容易超過題目要求的360mWd的要求，并且通常此類集成電路都難以直接驅(qū)動200Q的負(fù)載?！?〕高頻小信號放大設(shè)計方案2采用電容三點(diǎn)式對稱選頻網(wǎng)絡(luò)和分立元件，利用高頻三極管或場效應(yīng)管差分對構(gòu)成多級放大電路，末級采用大功率器件來保證輸出功率，通過負(fù)反饋電路來確定增益。該方案可實現(xiàn)的放大器工作頻率高、和高增益的要求但其電路比較復(fù)雜。且零點(diǎn)漂移嚴(yán)重，難以實現(xiàn)直流信號的放大。此外，由于電路采用了多級放大，其穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象。〔3〕高頻小信號放大設(shè)計方案3采用變壓器振蕩電路與三級管的結(jié)合，實現(xiàn)選頻和信號放大，采用變壓器反饋

式LC振蕩電路，通過L的抽頭與電源正端相連，從而有利于實現(xiàn)阻抗匹配，并且該諧振電路Q值高，選頻性能好，即使電流有失真，輸出電壓也基本為正弦形。錯誤分析經(jīng)過研究，直接否認(rèn)方案一，根據(jù)方案二設(shè)計出如下所示電路圖2。m.*3R4icon：ciionF圖2方案二電路圖m.*3R4icon：ciionF圖2方案二電路圖經(jīng)過仿真，選頻特性良好，在-3dB帶寬時頻率可以保持在500KHz內(nèi)波動，經(jīng)過三級放大后可以帶到80dB左右的增益，但是做出實物電路圖以后，效果與仿真相差很大，經(jīng)過認(rèn)真分析，得出在高頻信號下，電容和電感有較大的阻抗，導(dǎo)致信號出現(xiàn)較大的衰減，而且零點(diǎn)漂移嚴(yán)重，此外，由于電路采用了多級放大，其穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象，干擾信號嚴(yán)重，直接淹沒了待放大信號。所以方案二也不能實現(xiàn)，被否認(rèn)，最終選擇方案三作為設(shè)計方案。4.3.6V穩(wěn)壓電路設(shè)計使用一片LM317穩(wěn)壓器構(gòu)成可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓電路，這類穩(wěn)壓電路是依靠外接電阻來調(diào)節(jié)輸出電壓的，為保證輸出電壓的精度和穩(wěn)定性，要選擇精度高的電阻，同時電阻要緊靠穩(wěn)壓器，防止輸出電流在連線電阻上產(chǎn)生誤差電壓。圖a為由LM317組成的輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電路仿真圖，圖b為仿真調(diào)試到3.6V。電路中的R1=〔120?240〕Q，為保證空載情況下輸出的電壓穩(wěn)定，R1不宜超過240Q。R2的大小根據(jù)輸出電壓調(diào)節(jié)范圍確定，該電路輸入電壓為12v，則輸出

電壓范圍為1.2V?10V。圖3穩(wěn)壓電源 圖4調(diào)試結(jié)果5.衰減器設(shè)計根據(jù)題意，衰減網(wǎng)絡(luò)需要衰減40dB，依據(jù)公式20lgAM=40得AM=100，即輸入信號的幅度減小100倍，由此可搭接衰減網(wǎng)絡(luò)，為了保證后一級的輸入電阻為50Q，及衰減網(wǎng)絡(luò)本身輸出電阻為50Q。R1,R2,R3三個電阻的阻值分別為51Q，51Q，2.5kQ。衰減網(wǎng)絡(luò)如圖c所示，信號經(jīng)過衰減網(wǎng)絡(luò)時可以滿足題目中衰減40db的要求。我們在衰減器后加上了信號屏蔽線，以防止信號的干擾。由于直插式電阻的噪聲、溫飄等原因，波形出現(xiàn)一定程度上的失真，衰減的高頻小信號可能極容易被周圍的干擾信號干擾而檢測不到。所以在測試時應(yīng)盡量防止和其他干擾源一起測試，保持一個良好安靜的測試環(huán)境。R251n:illR251n:ill圖5由精密電阻搭接的衰減網(wǎng)絡(luò)6.小信號放大電路設(shè)計根據(jù)方案三的設(shè)想，使用三極管級聯(lián)放大，并且在每一級放大電路后面加一個變壓器振蕩選頻網(wǎng)絡(luò)，保證15MHz的中心頻點(diǎn)，具體電路圖如下。—2.6VL：8R15VCL：C5w47.4fF■HJkUHe-ii=AlUkU10I。C4；47.4fFL：6：47.4fFok—2.6VL：8R15VCL：C5w47.4fF■HJkUHe-ii=AlUkU10I。C4；47.4fFL：6：47.4fFok時館-VA-理論分析與計算電路為三級級聯(lián)的共發(fā)射極接法的LC諧振放大器。在高頻情況下，晶體管本身的極間電容及連接導(dǎo)線的分布參數(shù)等會影響放大器輸出信號的頻率和相位。晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)由電阻RB1，RB2及RE決定，其計算方法與低頻單管放大器相同。LC諧振放大器的典型特性曲線，矩形系數(shù)Kr0.1=2Af0.1/2Af0.7Av,;Av^Av,;Av^圖7單級放大器在高頻情況下的等效電路如圖1-2所示，晶體管的4個y參數(shù)％，吃，以及"分別為輸入導(dǎo)納輸出導(dǎo)納yoeWbbjWCbe1+rg+jwcbbbeT+be輸入導(dǎo)納輸出導(dǎo)納yoeWbbjWCbe1+rg+jwcbbbeT+bejwcbefe正向傳輸導(dǎo)納0b'ejwcbe反向傳輸導(dǎo)納yre—/jwc4 ble'g+jwcbbbe、⑴〔2〕〔3〕〔4〕圖8圖8放大器的單級高頻等效回路圖8中所示的等效電路中，〃1為晶體管的集電極接入系數(shù)，即式中，N3為副邊〔次級〕的總匝數(shù)。gL為調(diào)諧放大器輸出負(fù)載的電導(dǎo)，gL=1'RL。通常小信號調(diào)諧放大器的下ie2一級仍為晶體管調(diào)諧放大器，則gL將是下一級晶體管的輸入導(dǎo)納ie2由圖？？可見，并聯(lián)諧振回路的總電導(dǎo)g￡的表達(dá)式為1〔5〕g￡=p2goe+p2g2+Jwc+JWL〔5〕1=p2goe+p2gL+Jwc+JWL+G式中，G為LC回路本身的損耗電導(dǎo)。諧振時L和C的并聯(lián)回路呈純阻，其阻值等于1/G，并聯(lián)諧振電抗為無限大，則jwC與1/〔jwL〕的影響可以忽略。1.電壓放大倍數(shù)放大器的諧振回路諧振時，所對應(yīng)的電壓放大倍數(shù)氣稱為調(diào)諧放大器的電壓放大倍數(shù)。單級氣。的表達(dá)式為4u—ppy—ppyA=——0= 1_2_fe= 1_2_f V0 u g p2g+p2g+Gi ￡ 1oe2ie經(jīng)計算得：（Av。""Iyfe1/2*（go1*gi2）0'5=88-7式中，g￡為諧振回路諧振時的總電導(dǎo)。因為LC并聯(lián)回路在諧振點(diǎn)時的L和C的并聯(lián)電抗為無限大，因此可以忽略其電導(dǎo)。但要注意的是〉/"。本身也是

個復(fù)數(shù)，所以諧振時輸出電壓U0與輸入電壓U相位差為〔180。+n佐〕。則三級級聯(lián)增益為：A=A*A*A=697864.103 〔7〕mvovovo2.通頻帶由于諧振回路的選頻作用，當(dāng)工作頻率偏離諧振頻率時，放大器的電壓放大倍數(shù)下降，習(xí)慣上稱電壓放大倍數(shù)Av下降到諧振電壓放大倍數(shù)Avo的0.707倍時所對應(yīng)的頻率偏移稱為放大器的通頻帶BW，其表達(dá)式為BW=2W°7=fjQl式中，QL為諧振回路的有載品質(zhì)因數(shù)。代值計算得：BW=BW=2Af0.7=308.3kHz分析說明，放大器的諧振電壓放大倍數(shù)Avo與通頻帶BW的關(guān)系為A?BW=九 〔9〕三級級聯(lián)通頻帶為：(2Af0.7)3=(21/3-1)0.52Af0.7=163.399kHzo〔4〕選擇性一一矩形系數(shù)調(diào)諧放大器的選擇性可用諧振曲線的矩形系數(shù)K時來表示，如圖7所示的v0.1諧振曲線，矩形系數(shù)K01為電壓放大倍數(shù)下降到0.1氣時對應(yīng)的頻率偏移與電壓放大倍數(shù)下降到0.707Avo時對應(yīng)的頻率偏移之比，即〔10〕Kv0.1=2Af0^■■'2Af07=2Af0〔10〕上式說明，矩形系數(shù)K越小，諧振曲線的形狀越接近矩形，選擇性越好，v0.1反之亦然。一般單級調(diào)諧放大器的選擇性較差〔矩形系數(shù)K遠(yuǎn)大于1〕，為提v0.1高放大器的選擇性，通常采用多級單調(diào)諧回路的諧振放大器。該三級矩陣系數(shù)：KR01=(2Af01)3/(2Af07)=[(1001/3-1)/(21/3-1)]1/2=4.2 〔11〕輸出最大不失真電壓及功耗輸出最大不失真電壓：為了得到最大動態(tài)范圍，應(yīng)將靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)在交流負(fù)載線的中點(diǎn)。為此在放大器正常工作情況下，逐步增大輸入信號的幅度，并同時調(diào)節(jié)RW〔改變靜態(tài)工作點(diǎn)〕，用示波器觀察U0，當(dāng)輸出波形同時出現(xiàn)削底和縮

頂現(xiàn)象時，說明靜態(tài)工作點(diǎn)已調(diào)在交流負(fù)載線的中點(diǎn)。然后反復(fù)調(diào)整輸入信號，使波形輸出幅度最大，且無明顯失真時，用交流毫伏表測出U0〔有效值〕，則動態(tài)范圍等于?；蛴檬静ㄆ髦苯幼x出UOPP來。晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)：Uom=min{VCC-UCEQ,UCEQ}//2輸出最大不失真功率：P=（最大輸出電壓峰值川2）*（最大輸出電壓峰值川2）/負(fù)載電阻系統(tǒng)測試：1、 測試條件環(huán)境溫度25°C，電源電壓220V市電〔加到自制3.6V穩(wěn)壓電源上〕。2、 測試儀器和附件儀器：函數(shù)信號發(fā)生器數(shù)字示波器掃頻儀3、 測試方法采用信號發(fā)生器、示波器、、掃頻儀及必要的部件進(jìn)行幅頻特性測量。4、 測試結(jié)果與分析帶寬測試用掃頻儀測量放大器的中心頻率及其增益，并測試在-3dB增益下的帶寬。參考文獻(xiàn)：高等教育出版社北京航空航天大學(xué)出版社北京航空航天大學(xué)出版社北京航空航天大學(xué)出版社高等教育出版社高等教育出版社北京航空航天大學(xué)出版社北京航空航天大學(xué)出版社北京航空