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2011 年全国大学生电子设计竞赛

2011 年 LC 谐振放大器(D 题)
【02 组】

摘要
本设计是采用谐振回路 (串、 并联及耦合回路) 作负载的放大器, 很好的满足了题目要求,对频率分辨力、动态范围及精度都做了较大 的扩展。衰减器选用无源电阻网络在构建时候选用千分之一精密电 阻,有效提高了衰减量精确度及减少温漂影响,放大部分选用了三极 管。 该设计报告对 LC 谐振放大器有关理论知识做了一些简要的介绍, 然后在性能指标的分析基础上进行单元电路设计, 最后得出整体电路 图,在软件中仿真验证是否达到技术要求,对仿真结果进行分析,最 后总结课程体会。该系统设计新颖、性价比高。

关键词: 衰减

谐振频率

频带





1 系统方案 .......................................................... 1 1.1 衰减器选择 .................................................. 1 1.2 LC 谐振放大器选择............................................ 1 2 系统理论分析与计算 ................................................ 1 2.1 电路原理的分析 ............................................. 1 2.1.1 电路基本原理........................................... 1 2.1.2 LC 谐振放大器主要质量指标 .............................. 2 2.1.3 LC 谐振放大电路的特性曲线 ............................................................. 3 2.2 影响谐振放大器的稳定因素..................................... 3 2.2.1 影响放大器稳定的主要因素 ............................... 3 2.2.2 反馈对谐振放大器的影响 ................................. 4 2.2.3 谐振放大器稳定的措施................................... 5 2.3 LC 谐振放大电路的有关计算计算................................ 5 2.3.1 设置静态工作点 ......................................... 5 2.3.2 计算谐振回路参数 ....................................... 6 2.3.3 确定输入耦合回路及高频滤波电容 ......................... 6 3 电路与程序设计 .................................................... 6 3.1 电路的设计................................................... 6 3.1.1 系统总体框图 ........................................... 6 3.1.2 衰减器电路原理图 ....................................... 6 3.1.3 LC 谐振放大器电路原理图 ................................ 7 3.1.4 电源 ................................................... 7 4 测试方案与测试结果 ................................................ 8 4.1 测试方案..................................................... 8 4.2 测试条件与仪器 .............................................. 9 4.3 测试结果及分析 .............................................. 9 4.3.1 测试结果(数据) ......................................... 9 4.3.2 测试分析与结论 ......................................... 9 参考文献 ???????????????????????? 11

2011 年 LC 谐振放大器(D 题)
【02 组】
1 系统方案
本系统主要由衰减器模块、LC 谐振放大器模块、电源模块组成,下面分别论证这 几个模块的选择。

1.1 衰减器模块的选择
衰减器选用无源电阻网络,题目中提到“频带与放大器相适应” ,可见,如若选用非 线衰减网络,则一定要求 3dB 带宽足够,特性阻抗保持 50 欧,这样很难达到。所以在 构建时候选用了千分之一精密电阻,这样可以有效地提高衰减量精确度及减少温漂影 响。衰减器的频率特性要满足系统的频率范围要求,在频率范围内衰减器的衰减量应和 频率无关。因此,选用电阻元件组成。

1.2 LC 谐振放大器选择
由于放大器部分使用 3.6V 稳压电源,功率不超过 360mW,意味着电流最大 100mA, 所以使用芯片要慎重考虑,我们选用了三极管,但是功耗要低于 100mA 的话,一定要减 少三极管的数量,根据经验不可能出现太高阶多级放大。

2 系统理论分析与计算
2.1 电路的基本原理的分析
2.1.1 电路的基本原理

图1

LC 谐振放大器

图 1 所示的电路为共发射极接法的晶体管小信号单极调谐回路谐振放大器。 它不仅 要放大高频信号,而且还有一定的选频作用,因此,晶体管的集电极负载为 LC 并联谐 振回路。在高频情况下,晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数等会影响放大器
1

输出信号的频率或相位。晶体管的静态工作点由电阻 R B 1 , R B 2 及 R E 决定,其计算方法与 低频单管放大器相同。

图 2 谐振放大器的高频等效电路

2.1.2 LC 谐振放大器主要质量指标

a) 增益:放大器输出电压与输入电压之比,我们希望每级放大器的增益尽 量大,使满足增益时级数尽量少,放大器增益的大小,取决于所用的晶 体管,要求的通频带宽,是否良好的匹配和稳定的工作。 b) 通频带:放大器的通频带取决于负载回路的形式和回路的等效品质因数 Q1。此外,放大器的总通频带随着放大级数的增加而变窄。并且,通频 带越宽,放大器的增益就越小,两者是相互矛盾的。 c) 选择性:放大器从含有各种不同 频率的信号的总和中选出有用信号, 排除有害信号。选择性有两个基本指标-矩形系数和抑制比。 d) 工作稳定性:工作稳定性是指放大器的工作状态(直流偏置)晶体管参 数, 电路元件参数等发生可能的变化时, 放大器的主要特征的稳定程度。 一般的不稳定变化是增益变化,中心偏移,通频带变宽,谐振曲线变形 等。 e) 噪声系数:在放大器中噪声系数总是有害无益的,因而应力求它的噪声 系数越小越好,即要求噪声系数接近 1.
2

2.1.3 LC 谐振放大电路的特性曲线

图 3 谐振放大器典型幅频特性示意图 由于回路是些后电压放大倍数下降,所以放大器的频率特性曲线如图 2 所示,由式可知 通频带越宽放大器的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频带,同时又能提高放 大器的电压增益。

2.2 影响谐振放大器的稳定因素
2.2.1 影响放大器稳定的主要因素 放大器的工作稳定性是重要的质量指标之一,放大器的输入导纳 在前面讨论 A vo 时忽略了内部反馈 Y re ,由于晶体管不是理想的单向化元器件,存 在着反向传输导纳 Yre,输出电压反馈到输入端引起了输入电流和输入阻抗变化, 在某些 特定的频率上,可能使放大器呈现负阻,甚至使放大器失去性能,处于自激振荡状态, 这是绝对不允许的,晶体管内部负反馈对频率特性的影响如图

3

图 4 反馈导纳对放大器谐振曲线的影响 放大器的工作稳定性是指放大器的工作状态、 晶体管的参数、 等发生可能的变化时, 放大器的主要特性的稳定程度。 振放大器的稳定行不仅与内部反馈有关,实际上实际的制作电路中,还要考虑反馈 引起的不稳定性。 应用电路中,放大器外部的寄生反馈,都是以电磁耦合的方式出现的,引起电磁干 扰必然存在发射电磁干扰的源,能接收干扰的感应装置,以及两者之间的耦合途径。由 于频率高的缘故,干扰和接收装置几乎是不可能避免的,关键是弄清楚耦合途径以及如 何去截断它。 在其放大器组成的放大电路中,随着放大器的级联,总的频带明显减小, 为保证一定的通频带,单级通频需加宽,单级增益就下降。而组成的单调谐和双调谐回 路不能很好的解决总增益和总带宽的问题,参差调谐电路 就是其中最好的办法,必须采用各种方法是电路保持稳定。 2.2.2 反馈对谐振放大器的影响 在放大器的反馈中,反馈的途径有两条:一是晶体管内部的反馈,二是晶体管外部 干扰。 a) 自激 在内部反馈中,自激是最重要的原因。放大器的输入阻抗等效电路图如图

4

图 5 放大器等效输入端回路 反馈导纳 BF ,其中 g F 改变了回路的 QL 值 , b F 引起回路失谐。g F 是频率的函 数,在某些频率上可能为负值,即呈负电导性,它使回路的总电导减小,Q L 值增加, 放大器的通频带减小,增益也因损耗的减少而增加。即负电导 g F 供给回路能量,出现 正反馈,当 g F = gs +gie 则回路总电导 g = 0 ,放大器失去放大性能,处于自激振 荡工作状态。 b) 电磁干扰 电磁干扰的耦合途径主要有以下几种: 1.电容性耦合: 导线与导线之间, 导线与器件之间, 器件与器件之间均存在着分布电容。 当工作频率达到一定程度时,这些电容会起作用,信号从后级耦合到前级。 2.电感性耦合:导线与导线之间,导线与电感之间,电感与电感之间,除分布电容外, 在高频情况下,还存在互感。流经导线或电感的后级高频电流产生交变磁场,可以与前 级回路产生不必要的耦合。 3.公共电阻耦合:当前后级信号流经同一公共导线或电阻时,后级电流会产生电压,从 而对前级产生影响。 4.辐射耦合:当工作频率达到一定程度时,后级的高频信号可以通过电磁辐射的方式耦 合到前级。

2.2.3 .谐振放大器稳定的措施 两种解决办法 一是从晶体管本身想办法,因为 Yre 主要由 Cb′c 决定,从晶体管 制造工艺着手,减少 Cb′c 达到减小反向传输导纳 Yre 的目的。 二是在电路上想办法 把 Yre 的作用抵消或减小。也就是说,从电路上设法消除晶体管的反向传输作用,使它 变为单向器件。单向化的方法有两种,既是中和法和失配法。

2.3 LC 谐振放大电路的有关计算
2.3.1 设置静态工作点 在谐振放大器中 R B 1 ? 20 ?? , R B 2 ? 35 . 4 ?? , R E ? 1?? ,
5

VB ?

RB2 R B1 ? R B2

? V CC

? 2 . 3V

V E ? V B ? 0 . 7V ? 1 . 6V
IC ? IE ? VE RE
? 1 . 6 mA

U CE ? V CC ? V E ? 2V

2.3.2 计算谐振回路参数 发射结电导: g b 'e
? {I E }mA 26 ?
{I E }mA 26

s ?

1 .6 26 ? 50

=1.2ms

晶体管跨导: g m

?

s ?

1 .6 26

=61.5ms
g b 'e ? j ? C b 'e

4 个 y 参数:输入导纳: y ie

?

1 ? rb 'b ( g b ' e ? j ? C b ' e ) ?

输出导纳: y oe

j ? C b 'c rb 'b g m
1 ? rb 'b ( g b 'e ? j ? C b 'e )

? j ? C b 'c

正向传输导纳: y fe

?

gm
1 ? r b 'b ( g b 'e ? j ? C b 'e )
? j ? C b 'c 1 ? r b 'b ( g b 'e ? j ? C b 'e )

反向传输导纳: y re

?

2.3.3 确定输入耦合回路及高频滤波电容 高频小信号谐振放大器的输入耦合回路通常是指变压器耦合的谐振回路。 由于输入 变压器 T ri 原边谐振回路的谐振频率与放大器谐振回路的谐振频率相等, 也可以直接采用 电容耦合。高频耦合电容一般选择瓷片电容。

3 电路与程序设计
3.1 电路的设计
3.1.1 系统总体框图 系统总体框图如图下所示

6

图6 3.1.2 衰减器电路原理图

系统总体框图

图7

衰减器电路原理图

7

3.1.3 LC 谐振放大器电路原理图(本设计采用的是两级放大器)

图8 3.1.4 电源

LC 谐振放大器电路原理图 3.7V 电压,确保

电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供 电路的正常稳定工作。具体电路图如下:

8

4 测试方案与测试结果
4.1 测试方案

图 9 高频谐振放大电路的测试电路 a) 将电路连接好后,先调整放大器的静态工作点,然后再调谐振回路使其谐 振。 调整静态工作点的方法是,不加输入信号( V
i

=0) ,将 C

1

的左端接地,将谐振

回路的电容 C 开路,这时用万用表测量电阻 R E 两端的电压,调整电阻 R B 1 使 V EQ = 记下此时电路的 R B 1 值及静态工作点 V BQ 、 V CEQ 、 V EQ 及 I EQ 。 调谐振回路使其谐振的方法是,按照图 9 所示的测试电路接入电压表 V 1 、 V 2 ,直 流毫安表 mA 及示波器。再将信号发生器的输出频率置于 15MHz,输出电压 V i =5mA,为避 免谐振回路失谐引起的高反向电压损坏晶体管,可先将电源电压+ V CC 降低。调输出耦合 变压器的磁芯使回路谐振,即电压表 V 2 的指示值达到最大,毫安表 mA 的指示值为最小 且输出波形无明显失真。回路处于谐振状态后,再将电源电压恢复。 b) 表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标有谐振频率 f 0 ,谐振电压放大 倍数 AV 0 、放大器的通频带 BW 及选择性(通常用矩形系数 K r 0 . 1 来表示)等,采用上图所 示的测试电路可以粗侧各项指标,若要求测量准确,必要时应采用精度较高的高频测量
?

仪器。图中输入信号V s 由高频信号发生器提供,高频电压表V 1 ,V 2 分别用于测量放大器的
? ?

输入电压V i 与输出电压V 0 的值。直流毫安表 mA 用于测量放大器的集电极电流 i c 的值,
9

示波器监测负载 R L 两端的输出波形。谐振放大器的各项性能指标及测量方法如下。 ? 谐 振 频 率 : 对 于 图 所 示 电 路 ( 也 为 分 析 以 下 指 标 的 电 路 ) f0 的 表 达 式 为 ,
f0 ?
1 2?

LC

式中,L 为谐振回路电感线圈的电感量; C ? 为谐振回路的总电容, C ? 的
?

表达式为 C ? ? C ? p 12C 0e ? p 22C ie 式中, C 0e 为晶体管的输出电容; C ie 为晶体管的输入 电容。谐振频率 f 0 的测量步骤是,首先使高频信号发生器的输出频率为 f 0 ,输出电压为 几毫伏; 然后调谐集电极回路即改变 C 或电感线圈 L 的磁芯位置使回路谐振。 并联回 LC 路谐振时,直流毫安表 mA 的指示值为最小(当放大器工作在丙状态时) ,电压表V 2 的指 标值达到最大,且输出波形无明显失真。这时回路的谐振频率就等于信号发生器的输出 频率。由于分布参数的影响,有时谐振回路的输出电流的最小值与输出电压的最大值不 一定同时出现,这时视电压表的指示值达到最大值时的状态为谐振回路处于谐振状态。
?

? 电压增益: AV 0 表达式为: A VO

?

? ?

V
?

O

?

? p1 p 2 y g?

fe

?

? p1 p 2 y
2 1 2 2

fe

V

i

p g oe ? p g ie 2 ? G o
? ?

。要注意的

是 , y fe 本 身 也 是 一 个 复 数 , 所 以 谐 振 时 输 出 电 压 V
? ?

O

与 输 入 电 压V i 的 相 位 差 为
?

(1 8 0 ? ? fe ) 。只有当工作频率较低时,? fe ? 0 ,V
?

O

与V i 的相位差才等于 180 ? 。 AVO 的
?

测量电路如上图所示,测量条件是放大器的谐振回路处于谐振状态。当回路谐振时分别 记下输出电压表 V 2 的读数 V O 及输入端电压表 V 1 的读数 V i , 则电压放大倍数 AVO 由下式计 算 AV 0 ? V 0 / V i 或 AV 0 ? 20 lg( V 0 / V i ) dB ? 通频带:其表达式为 BW= 2 ? f 0 . 7 ? f 0 / Q L 式中, Q L 为谐振回路的有载品质因数。 ? 矩形系数: 谐振放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数 K r 0 . 1 来表示, 如图 3 所示, 矩形系数 K r 0 . 1 为电压放大倍数下降到 0 . 1AV 0 时对应的频率范围与电压放大倍数下降到
0 . 707 AV 0 时对应的频率偏移之比,即 K r 0 . 1 ? 2 ? f 0 . 1 / 2 ? f 0 . 7 ? 2 ? f 0 . 1 / BW ,此式表明,矩形

系数 K r 0 . 1 接近于 1,邻近波道的选择性越好,滤波干扰信号的能力就越强。一般单级谐振放大器的选 择性较差,因其矩形系数 K r 0 . 1 远大于 1,为提高放大器的选择性,通常采用多级放大器。本设计采用 两级。

10

4.2 测试条件与仪器
测试条件:检查多次,仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同,并且检查 无误,硬件电路保证无虚焊。 测试仪器:高精度的数字毫伏表,双踪示波器,数字万用表,信号发生器。

4.3 测试结论
4.3.1 测试结论 根据上述测试分析,由此可以得出以下结论: 1、 2、 3、 综上所述,本设计达到设计要求。

11

参考文献:
一 二 三 四 曾型雯,高频电子线路,高等教育出版社,2004 年 1 月 蔡杏山,电视机原理与检修,国防科技大学出版社,2003 年 9 月 李银华,电子线路设计指导,北京航空航天大学出版社,2006 年 12 月 张肃文,高频电子线路,高等教育出版社,2004 年 11 月

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