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2011年全国大学生电子1设计竞赛论文


2011 年全国大学生电子设计竞赛

D题 【本科组】 本科组

2011 年 9 月 3 日

LC 谐振放大器
摘要: 摘要: 本系统主要由衰减器模块、电源模块、丙类放大器模块。设计过程中运用 EWB 软件进行仿真,通过设置合适的参数得出了题目要求的结果。该设计采用 了 3.6V 直流稳压电源供电, 将高频小信号经衰减器衰减作为放大器的输入信号, 经高频三极管两级放大,实现高频电压信号的放大。 关键词:高频小信号,谐振放大器,丙类,衰减器,电源模块

2





1 系统方案.......................................................................................................................................................4 1.1 衰减器的论证与选择 ....................................................................................................................4 1.2 电源的论证与选择...........................................................................................................................4 1.3 LC 谐振放大器的论证与选择......................................................................................................4 1.4 高频 LC 谐振功率放大器原理.........................................................................................................5 2 系统理论分析与计算...................................................................................................................................5 2.1.1 分析.................................................................................................................................................5 2.1.2 π型衰减器的模型……................................................................................................................6 2.1.2 衰减器参数计算 …...................................................................................................................6

2.2.4 衰减器阻值的计算........................................................................................................................7 2.2.1 谐振放大器的参数分析与计算..................................................................................................7 3 电路的设计...................................................................................................................................................8 3.1.1 系统总体框图..................................................................................................................................8 3.1.2 电源子系统框图 ..........................................................................................................................8 3.1.3 衰减器子系统原理图 ..................................................................................................................9 3.2 LC 谐振放大电路 EWB 软件仿真及理论分析…….......................................................................... ....9 3.2.1 LC 谐振放大电路仿真….................................................................... …....................................9 3.2.2 LC 谐振放大电路仿真输出波形图..................................... .............. …....................................9 3.2.3 LC 谐振放大电路幅频特性示意图...................................... .............. …...................................10 4 LC 谐振放大电路测试数据................................................................................... ...................................11 5 参考文献....................................................................................................................................................12

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1 系统方案
本系统主要由衰减器模块、电源模块、丙类放大器模块,下面分别论证这几个模 块的选择。

1.1 衰减器的论证与选择 衰减器的论证与选择
衰减器:是一种能量损耗性射频/微波元件。 工作频带:指在给定的频率范围内使用衰减器,衰减器才能达到指标值。 衰减量:指描述功率通过衰减器后功率的变小程度。 方案一:T 型功率衰减器 方案二:π型功率衰减器 题目中衰减器需要衰减 40db, 也就是要衰减 100 倍, 同时特性阻抗要求为 50 欧姆, 考虑电路的稳定性和合理性后,我们选择使用π型衰减器。

1.2 电源的论证与选择 电源的论证与选择
方案一:采用 LM317 芯片制作直流稳压电源 设计主要利用可调式稳压器 LM317 实现直流稳压电源的正负输出可调性。整个电 源主要由变压器、整流电路、滤波电路,以及稳压电路几部分组成。其体积小,稳定性 好且性价比较高。主要介绍其具体实现及原理,并分析具体硬件电路的工作原理及具体 实现方法。经反复实验,结果表明其具有灵活的可调性,控制效果良好。LM317 可以实 现 1.25—30V 的连续可调。 方案二:采用 7805 芯片制作直流稳压电源 采用 7805 芯片可以做到电压的连续可调,但是其调节范围有所不同,题目要求供 电电源是 3.6V 电压,综合以上两种方案,选择方案二。用 LM317 芯片做直流电源稳压 器设计电源。

1.3 LC 谐振放大器的论证与选择
设计要求谐振放大器的增益为 60 分贝,即将小信号电压信号放大一千倍;为实现 放大的功能可以采取以下三种方案: 方案一: 采用集成运算放大器实现, 电压放大器可以根据自己的增益需求灵活的改 变电压增益,只需在运放能正常工作的条件下,匹配适当的电阻,就可以达到要求;但 是对于运放芯片的选取要求很严格;运放的种类很多,如低频运放、高频运放等,本设 计需要用到高频运放,但是由于设计中只能用 3.6V 直流电源供电,考虑到高频运放电 压的限制,该方案也受到限制。 方案二: 选取 MOS 管设计放大电路, NMOS 的特性, Vgs 大于一定的值就会导通, 适合用于源极接地时的情况,只要栅极电压达到 4V 或 10V 就可以了。PMOS 的特性, Vgs 小于一定的值就会导通,适合用于源极接 VCC 时的情况,但是导通电阻大,价格 贵;不管是 NMOS 还是 PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样电流就会在这个电阻 上消耗能量,通常开关损失大。 方案三: 采用三级管的谐振放大电路, 三级管的种类齐全, 低频管和高频管都很多,
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选取原则很灵活,只需给三极管提供适当的的静态工作点就能让管子处于放大、饱和以 及截止状态,本设计需要的电压增益为 60db,即将电压信号放大 1000 倍,对于一只三极 管的放大倍数只有几十到几百, 所以应当采用多级放大, 但是级数将会影响系统的功率, 因此用两级放大。综合以上所诉选取方案三,使用高频三级管与谐振电路组合成为高频 LC 谐振放大电路。 晶体管可选择 2N2222 ,其放大倍数为 156。

1.4 高频 LC 谐振功率放大器原理 1.4
1.原理电路

ic ib + ub – ube – – + UBB + uce – ie – UCC + C – uc + L 输出

图 1 谐振放大器的基本电路

图 1 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 f T 。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 , 控制了较大的集 电极电流 , 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,一般为负值,即静态时发射结 为反偏。

2 系统理论分析与计算

2.1 衰减器的分析 衰减器的分析

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2.1.1 衰减器的分类

图 2 衰减器的分类

2.1.2 π型衰减器的模型 1、同阻式

图 3 同阻式π型衰减器的模型

2、异阻式

图 4 异阻式π型衰减器的模型

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2.2π型衰减器参数的计算 π型衰减器参数的计算
2.2.1 2.2.1 衰减器阻值的计算

由公式可得:R1=51Ω,R2=2.5KΩ

2.2.1 谐振放大器的参数分析与计算 谐振放大器的参数分析与计算 分析与 根据放大器的指标:谐振频率 f0=15MHz;允许偏差正负 100kHz;增益不小于 60dB。 设计放大电路时采用两级放大,两级均用射极偏置式电路,根据电路以及三极管的型号 计算电路中各个元件的参数。首先确定谐振电路中电感和电容的大小:谐振频率为

15MHz,所以由公式

可以选取一个合适的电容和电感,本设计选用 60Pf 的

电容和 50pF 的可调电容,此时可以满足谐振频率的要求,应当注意的是电容电感的选 择直接影响着放大电路的品质因数 , ,它是用来评价损耗大小的指标。

值得指出的是, 选频放大电路是构成 LC 正弦波振荡器的基础, LC 由于调谐回路的 选频作用,它不仅可工作在甲类,而且还可以工作在乙类或丙类,LC 并联谐振回路 Q 值高,选频性能好,即使电流有失真、输出电压也基本为正弦形。 根据设计好的电路,以及所选取的电容电感的值,自第二级向第一级计算晶体管 处于丙类工作状态是对应静态工作点的电阻及电容的值。 由此方法算出的第一级的集电 极电阻为 1.5KΩ,基极电阻为 51KΩ;射极电阻及耦合电容分别为 27Ω、10uF,第二级 的集电极电阻为 100Ω,基极电阻为 110Ω;射极电阻及耦合电容分别为 56Ω、10uF,第 一级与第二级之间的分压电阻为 160Ω;依照设计要求选取 200Ω的负载电阻。 由以上计算数据用软件画图进行仿真。

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3 电路设计
3.1.1 系统总体框图 系统总体框图如图 5 所示,

图 5 系统总体框图

3.1.2 电源子系统框图 电源子系统框图 1、电源子系统框图

变压器降压 (220V—9V)

桥式整流电路 (交流—直流)

滤波及稳压电 路(LM317)

通过调节电阻 实现电压可调

图6

电源子系统框图

2、电源子系统电路 电源由变压部分、 滤波部分、 稳压部分组成。 采用 LM317 芯片为整个系统提供 3.6V 电压,确保电路的正常稳定工作。 前面提到因为题目要求 3.6V 电压,所以我们选择了的可调稳压电源可以实现从 1.25V~30V 调整的芯片。 电路图设计如下:

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图7

电源子系统电路

衰减器子系统电路原理图 3.1.3 衰减器子系统电路原理图

图 8 衰减器子系统框图

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3.2 软件仿真及理论分析 3.2 LC 谐振放大电路 EWB 软件仿真及理论分析
3.2.1 3.2.1 LC 谐振放大电路仿真

图 9 一级放大仿真图

图 10 二级放大仿真图 从 EWB 仿真图中可以看出经过第一级和第二级放大,高频电压信号由原始的 49.49uV 放大为 49.61mV,放大倍数为 1002 倍。因此仿真结果满足设计的增益要求。

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3.2.2 谐振放大电路仿真输出波形图 3.2.2 LC 谐振放大电路仿真输出波形图 2.

图 11 输入输出波形图

从 EWB 仿真输出波形图中可以看出经过第一级和第二级放大, 高频电压信号在负载电阻为 200 Ω时没有明显失真,满足放大器指标的不失真要求。根据仿真图及运行结果计算该 LC 谐振放大器

的谐振频率为

=

,满足谐振频率及

偏差的要求。

3.2.3 谐振放大电路幅频特性示意图 3.2.3 LC 谐振放大电路幅频特性示意图 2. 根据仿真的结果绘制谐振放大器幅频特性曲线,并计算其矩形系数。

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图 12 谐振放大电路幅频特性示意图

谐振放大电路测试数据 4 LC 谐振放大电路测试数据
衰减后的电压信号送入放大器时为 49.51uV,通过仿真器的仿真得到以下的数据表:

表一 谐振放大电路测试数据 6.3 0.1 14.8 0.7 14.9 0.8 15 1.02 15.1 0.91 15.2 0.82 22 0.12

频 率 MHz

电 压 mV

5.1

34.65

39.6

50.95

39

34.66

4.951

由 表 可 以 计 算 出

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, 仿 真 时 的 谐 振 放 大 器 矩 形 系 数

5 参考文献
[1] 康华光. 电子技术基础. 北京:高等教育出版社, 2009 [2] 唐吉祥. 高频电子线路设计. 北京:电子工业出版社, 2007 [3] 黄智伟. 电路设计. 北京:北京航空航天大学出版社, 2010 [4] 黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛训练教程. 北京:电子工业出版社, 2005 [5] 全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编. 北京:北京理工大 学出版社, 2004

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