低功耗 LC 諧振放大器-HLJ-d-026

1、-加密號：加密號：學校編號：HLJ-D-026 學校名稱：哈爾濱工程大學 隊員姓名：盧建霖、曾夢泉、李金奇 賽點負責人： 教務處章 2011年9月3 日摘要本系統(tǒng)為一個低壓、低功耗LC諧振放大器，放大部分采用高頻晶體管2SC3355來實現(xiàn)。放大器前端40dB固定衰減器為一個特性阻抗為50的型衰減網(wǎng)絡。LC諧振放大器中心頻率=15MHz，其-3dB帶寬為300KHz，帶內(nèi)波動小于2dB。該放大器增益大于80dB，輸入阻抗為50，可在200的負載阻抗下輸出有效值為1.2V的無失真波形。該LC諧振放大器采用了雙調(diào)諧選頻，其矩形系數(shù)明顯小于單級并聯(lián)諧振。接入AD8367自動增益控制電路（AGC），AG

2、C的控制范圍大于40dB。由于采用晶體管來實現(xiàn)放大，最終該LC諧振放大器的總輸入電壓為3.6V，總輸出電流為40mA，總輸出功率為144mW，完全的符合低壓、低功耗的需求。關(guān)鍵詞：LC諧振放大器、2SC3355、AGC電路、雙調(diào)諧1、題目概述與方案論證題目的任務：設計并制作一個低壓、低功耗 LC 諧振放大器；為便于測試，在放大器的輸入端插入一個 40dB 固定衰減器。電路框圖見圖 1.1。圖1.1電路框圖1.1基本要求（1）衰減器指標：衰減量 402dB，特性阻抗 50，頻帶與放大器相適應。（2）放大器指標：a） 諧振頻率：=15MHz；允許偏差100kHz；b） 增益：不小于 60dB；c）

3、 3dB帶寬：2=300kHz；帶內(nèi)波動不大于2dB；d） 輸入電阻：=50；e） 失真：負載電阻為200，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360mW，盡可能減小功耗。.2發(fā)揮部分 （1）在-3dB 帶寬不變條件下，提高放大器增益到大于等于 80dB。（2）在最大增益情況下，盡可能減小矩形系數(shù) 。（3）設計一個自動增益控制（AGC）電路。AGC控制范圍大于 40 dB。AGC 控制范圍為 20log(/)20log(/)（dB）。（4） 其他。、系統(tǒng)方案論證總體方案一：系統(tǒng)方框圖如圖2.1所示，系統(tǒng)由衰減網(wǎng)絡、集成運算放大、LC

4、諧振選頻、電壓跟隨器、雙柵場效應管構(gòu)成的AGC電路組成。集成運算放大器完成電壓信號的放大，LC回路諧振在15MHz實現(xiàn)選頻功能，射隨電路將前后級阻抗匹配，雙柵場效應管搭建的AGC電路在滿足自動增益控制的同時又可保證功率輸出。圖2.1總體方案一總體方案二：系統(tǒng)方框圖如圖2.2所示，系統(tǒng)由衰減網(wǎng)絡、集成放大電路、雙調(diào)諧選頻、電壓跟隨器、AD8367構(gòu)成的AGC電路以及功率推動級組成。甲類諧振放大器對輸入信號進行選頻和放大，可避免放大其他頻率的噪聲信號，雙調(diào)諧回路能夠保證系統(tǒng)滿足300KHz的同時具有較好的矩形系數(shù)。使用集成芯片AD8367搭建AGC電路，其最大輸入信號=2V，最大輸出信號=1V，所

5、以為了滿足題目放大器增益要求，在AGC電路后需對信號再進行一次放大，才能輸出1V的有效值。圖2.2總體方案二 總體方案比對：前級放大器：方案一前級放大器選用運算放大器電路調(diào)試簡單方便、線性度好、波形完美，但是功耗較大，并且集成運放供電電壓為通常為5V以上，集成運放想要正常工作需要額外加入升壓電路和電壓轉(zhuǎn)換電路，加大硬件調(diào)試難度而且成本太高。方案二前級放大器用分立元件三極管搭建，成本低廉且容易買到、供電電壓范圍寬、功耗低，所以前級放大器應選用分立器件三極管搭建的LC諧振放大器。諧振回路：方案一選擇多級LC諧振搭建簡單，帶寬也可滿足300KHz的條件，但是矩形系數(shù)不會有太大改善，方案二采用雙調(diào)諧電

6、路，在滿足300KHz的條件下也能減小矩形系數(shù)，故諧振回路我們選擇雙調(diào)諧回路。AGC電路：方案一的AGC電路選用雙柵場效應管，帶載能力強，亦可滿足輸出1V有效值的需求，但是由雙柵場效應管搭建的AGC電路控制范圍很難達到題目要求，方案二由AD8367搭建的AGC電路控制范圍滿足需求，但對輸入幅度和輸出幅度有較大的要求，需要額外加入放大電路。為滿足題目需求，我們采用AD8367搭建的AGC電路。綜上所述，方案一硬件要求高，集成運放附屬電路復雜，AGC電路局限性大，方案二成本低廉，功耗低，單級電路簡單，AGC電路可控性強，考慮到方案合理性、可行性、成本等綜合因素，我們將方案二定為本系統(tǒng)最佳方案。、理

7、論分析與計算3.1放大器的增益計算LC諧振放大電路前級由高頻小信號放大器構(gòu)成，其電路原理圖如如圖3.1所示：圖3.1高頻小信號放大器原理圖其靜態(tài)工作點與甲類放大靜態(tài)工作點計算類似，公式如下：電壓增益 放大器輸出電壓Vo與輸入電壓Vi之比，稱為放大器的增益或放大倍數(shù)，用A v表示（有時以dB數(shù)計算）。電壓增益 ：Av=(Vo/Vi)分貝表示 ：Av=20lg(Vo/Vi)題目要求電壓增益不小于60dB，又有Au0=Au1*Au2=60dB，所以每一級的電壓增益應大于等于30dB，則有 由此可以計算每一級的導納。放大器的通頻帶放大器的電壓增益下降到最大值的 0.7（即 1/ ）倍時，所對應的頻率范

8、圍稱為放大器的通頻帶，用Bw=2f 0.7表示。2f 0.7 也稱為 3 分貝帶寬。由于放大器所放大的一般都是小信號，輸入的信號都包含一定的頻譜寬度，所以放大器必須有一定的通頻帶，以便讓必要的信號中的頻譜分量通過放大器。 放大器的通頻帶決定于回路的形式和回路的有載品質(zhì)因數(shù)QL。此外，放大器的總通頻帶，隨著級數(shù)的增加而變窄。并且，通頻帶愈寬，放大器的增益愈小。3.2AGC電路的基本原理AGC電路原理圖如如圖3.2所示：圖3.2AGC原理圖自動增益控制電路的作用是：當輸入信號電壓變化很大時，輸出電壓恒定或基本不變。具體地說，當輸入信號很弱時，自動增益控制電路不起作用；當輸入信號較強時，自動增益控制

9、電路進行控制，輸出幅度固定在某一特定值，使放大電路的增益自動地隨信號強度而調(diào)整的自動控制。所有實現(xiàn)這種功能的電路簡稱AGC環(huán)。AGC環(huán)是閉環(huán)電子電路，是一個負反饋系統(tǒng)，它可以分成增益受控放大電路和控制電壓形成電路兩部分。增益受控放大電路位于正向放大通路，其增益隨控制電壓而改變?？刂齐妷盒纬呻娐返幕静考?AGC 檢波器和低通平滑濾波器，有時也包含門電路和直流放大器等部件。放大電路的輸出信號u0 經(jīng)檢波并經(jīng)濾波器濾除低頻調(diào)制分量和噪聲后，產(chǎn)生用以控制增益受控放大器的電壓uc 。當輸入信號ui增大時，u0和uc亦隨之增大。uc 增大使放大電路的增益下降，從而使輸出信號的變化量顯著小于輸入信號的變

10、化量，達到自動增益控制的目的。3.3帶寬與矩形系數(shù)計算單調(diào)諧回路放大器的矩形系數(shù)遠大于1，也就是它的諧振曲線與矩形相差較遠，選擇性較差，根據(jù)矩形系數(shù)的定義 Am義為m級放大總增益 所以m級單調(diào)諧諧振諧振放大器的矩形系數(shù)為m越大，級數(shù)越多時，矩形系數(shù)越小，選擇性越好。同時有電路的Q值越大，級數(shù)越多，帶寬越小。雙調(diào)諧的頻率選擇性與多級的單調(diào)諧選頻回路相比具有更好的矩形系數(shù)。、電路設計4.140dB衰減器原理圖根據(jù)題目要求，衰減器衰減量為402dB，特性阻抗為50，我們采用了常用的型電阻衰減網(wǎng)絡。如圖4.1所示，為了增加衰減電路的精確度，我們所用的電阻均為1%的金屬膜電阻。圖4.1型衰減網(wǎng)絡電路圖根

11、據(jù)仿真軟件RFSim99仿真40dB衰減器，誤差為1%。如圖4.2所示： 圖4.2RFSim99對衰減器的仿真經(jīng)由實際檢測，該衰減器輸入1Vpp的15MHz的信號，實際輸出由高頻毫伏表測量得出，約為3.5mV。4.2前置小信號LC諧振放大（兩級小信號諧振放大）60dB的增益由2級晶體管放大來實現(xiàn)，由于三極管2SC3355自身輸入阻抗較大，輸入端并聯(lián)51的電阻，最終并聯(lián)后總輸入阻抗為50。集電極接入電感量為3.3uH的繞制電感，對地并聯(lián)一個5-30pF可調(diào)電容，電感電容形成LC諧振。原理圖如圖4.3所示：圖4.360dB增益電路4.3雙調(diào)諧選頻雙調(diào)諧選頻經(jīng)過變壓器阻抗阻抗變換輸入，它與單級諧振相

12、比，同樣能保證300KHz的帶寬，但是雙調(diào)諧選頻保證帶寬的同時可大幅降低矩形系數(shù)。其主要原理圖如4.4所示。電感選則采用磁環(huán)纏繞的自制電感，Q值230，電感量約4.5uH,電容采用5-30pF可調(diào)電容。圖4.4雙調(diào)諧電路4.4射極跟隨器電壓跟隨器在電路中起到隔離的作用，而且射隨輸入阻抗高，輸出阻抗低，起到阻抗變換的作用，實際的電路將集電極電阻換為電感，起到降低電路損耗、改善波形的作用，其電路原理圖如圖4.5所示。圖4.5射極跟隨電路圖 經(jīng)過實際測試我們輸入0.5V信號，輸出0.442V信號，滿足實際需求。4.5AGC電路 根據(jù)題目要求，AGC電路采用ADI公司推出的寬電壓低功耗芯片AD8367

13、來實現(xiàn)。AD8367可工作在VGA(可變增益放大器(VGA)用于多種遠程檢測和通信設備中。從超聲波、雷達、激光雷達、無線通信到語音分析等應用都采用可變增益來增強動態(tài)性能。)和AGC模式，當工作在AGC模式時，只需要將檢波輸出引腳返回到增益控制引腳，檢波輸出的電壓與內(nèi)部基準進行比較，進而形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。AGC電路原理圖如如圖4.6所示：圖4.6AGC原理圖5、測試方案與測試結(jié)果5.1各項測試儀器的說明參數(shù)該放大器測試儀器見表5.1。表5.1測試儀器說明參數(shù)表儀器名稱重要參數(shù)1.RIGOL DS 5102C 雙通道數(shù)字示波器100MHZ 250MS/s 輸出阻抗1M2.BT3CRF寬帶掃頻儀

14、150M3.SG1056B 高頻標準信號發(fā)生器40MHZ 輸出阻抗504.T5100 示波器高頻探頭1: 5MHZ 105pF 1M10: 100MHZ 16pF 10 M5.EM1716直流電源無6.DA36A型超高頻毫伏表無7.TFG3050LDDS信號源50M 帶頻譜分析以及調(diào)制等功能測試說明：所用到的電壓值均為有效值，掃頻儀型號為BT3CRF寬帶掃頻儀。（1） 衰減器技術(shù)指標測試 由TFG3050LDDS信號源產(chǎn)生15MHz的不同幅度的信號，輸出接DA36A型超高頻毫伏表測量輸出信號，測量數(shù)據(jù)如表5.2所示：表5.2衰減器技術(shù)指標測試表輸入信號/V輸出信號/V衰減量/dB30.0274

15、0.920.01840.90.30.002840.60.020.0001840.90.0050.00004740.5（2） 諧振頻率：使用掃頻儀BT3CRF寬帶掃頻儀測試該系統(tǒng)的諧振頻率。首先，掃頻儀校準15MHz頻點，掃頻儀標頻方式選擇外標頻，外標頻輸入由TFG3050LDDS信號源提供，通過調(diào)整X軸與Y軸的位移和幅度，改變掃頻寬度，極性選擇+極性，DC/AC選擇AC檔位，最終將15MHz的頻點定格在掃頻儀顯示屏幕的中間。其次，將掃頻儀RF輸出端接入LC諧振放大器信號輸入端，給LC諧振放大器上電，觀測掃頻儀屏幕有無變化，通過不斷調(diào)整電路，使諧振曲線峰值定在15MHz。LC諧振放大器諧振頻率測

16、試最終如圖5.1所示，=15.0MHz40KHz， 圖5.1掃頻儀測試系統(tǒng)諧振頻率（3） 系統(tǒng)增益測試測試LC諧振放大器增益，輸入信號由TFG3050LDDS信號源提供，將各級電路完整的連接起來（不包括AGC電路），用DA36A型超高頻毫伏表測量實際輸出，測試數(shù)據(jù)見表5.3輸入信號/V輸出信號/V電壓增益/dB0.0040.546460.0050.645460.0060.75245.80.0091.10345.8表5.3 系統(tǒng)增益控制放大器增益為系統(tǒng)增益加40dB,所以放大器的增益約為85.9dB（4） 中心頻率為15M，-3dB帶寬2=300KHz，實際測量結(jié)果如圖5.2與圖5.3所示 圖5

17、.2 通頻帶300KHz的測量 圖5.2 中心頻率為15MHz（5） 放大器約輸入阻抗為50。（6） 負載電阻200，接入DS1102E型示波器輸出3.56V峰峰值，有效電壓為1.26V，波形如圖5.2所示，無明顯失真。圖5.2200輸出波形圖（7） 功耗測試：系統(tǒng)供電電壓3.6V消耗電流40mA所以系統(tǒng)功耗144mW，小于360mW。（8） 在最大增益下，、 故矩形系數(shù)=6.0（9） AGC電路自動增益控制=20mV，=2.8V；=1.10V，=1.15V,20log(/)20log(/)=42.5dB。（此處電壓為峰峰值）5.2結(jié)論與結(jié)果分析經(jīng)測試我們的LC諧振放大器諧振中心頻率為： =15MHz；放大器增益為82dB；3dB帶寬：2 330kHz；負載