大學生電子設(shè)計競賽-LC振蕩器

1、1 題目要求1任務設(shè)計并整理一個LC諧振放大器。2要求設(shè)計并整理一個低壓、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。圖1.1 電路框圖2. 1 基本要求（1）衰減器指標：衰減量40±2dB，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：f0 =15MHz；允許偏差±100kHz；b） 增益：不小于60dB；c）3dB 帶寬：2f0.7 =300kHz；帶內(nèi)波動不大于2dB；d） 輸入電阻：Rin=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

2、）。最大不允許超過360mW，盡可能減小功耗。2. 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)Kr0.1。（3）設(shè)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(Vomin/Vimin)20log(Vomax/Vimax)（dB）。（4）其他。2 系統(tǒng)方案2.1 系統(tǒng)方案與比較2.1.1 衰減器電路部分方案一：采用T型衰減器圖2. 1 T型衰減器如圖2.1所示電路可以在不改變等效電阻的前提下實現(xiàn)對信號電壓衰減，圖中增加的兩個電阻可以保持等效電阻不變，所以此網(wǎng)絡(luò)被稱為T

3、型網(wǎng)絡(luò)電路。方案二：采用型衰減器圖2.2 型衰減器公式為： 如圖2.2所示電路為型網(wǎng)絡(luò)電路。它與T型網(wǎng)絡(luò)電路一樣可以實現(xiàn)信號衰減并保持輸入阻抗不變。假設(shè)衰減為40dB，輸入輸出阻抗為50時，T型衰減器中R51，R11，而型衰減器中R51，R12.5k。由于受引線和焊點的影響，阻值過小，很難保證其精度，從而影響衰減的準確度。所以，當要求衰減較大時用型衰減器較合適。2.1.1 調(diào)諧放大電路部分方案一：兩級共射級放大電路和一級調(diào)諧電路，單調(diào)諧放大電路，電路簡單但矩形系數(shù)僅為9、96。方案二：兩級共射級放大電路和參差調(diào)諧電路，參差調(diào)諧放大電路，矩形系數(shù)能達到3-5，但電路復雜調(diào)試困難，所以我們選擇方案

4、一。2.1.2 可控增益電路部分方案一：采用控制電壓與增益成線性關(guān)系的可編程增益放大器PGA?？煽卦鲆娣糯笃鳎ㄈ鏏D603）內(nèi)部由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，加在其梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口參考電壓決定；而這個參考電壓可通過控制器進行運算并控制D/A芯片輸出控制電壓得到，從而實現(xiàn)較精確的數(shù)控。但因功耗較大，且無法在3.6V單電源供電下正常工作，所以不選用此方案。方案二：采用分立元件使輸出電壓通過二極管檢波電路和低通電路轉(zhuǎn)換為直流電壓，用單片機進行采集，并通過DA輸出直流電壓至放大電路的工作點調(diào)節(jié)處，通過此反饋實時調(diào)整放大電路的工

5、作點從而實現(xiàn)AGC功能。因此方案選用都是分立元件，故可在低電壓情況下穩(wěn)定工作，所以選擇此方案。2.2 系統(tǒng)總體構(gòu)成本系統(tǒng)設(shè)計包括四大部分：衰減器、共射級放大電路、選頻放大電路、可控增益電路部分等系統(tǒng)構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)方框圖如圖2.3所示。信號源輸出5mV交流信號，經(jīng)衰減器輸出進入兩級放大，再經(jīng)兩級調(diào)諧放大器后輸出給200負載，AGC電路是在負載輸出端采集電壓再通過二極管檢波電路，后經(jīng)單片機采集再通過DA輸出接至共射級放大電路的工作點調(diào)節(jié)處。衰減器100：1放大器諧振放大器信號源放大器單片機系統(tǒng)穩(wěn)壓電源220+3.6V+5V從輸出處采集電壓二極管檢波電路圖2.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方框圖3 理論分析與計算

6、3.1 阻抗匹配信號傳輸過程中負載阻抗和信源內(nèi)阻抗之間的特定配合關(guān)系。電路間多級串聯(lián)的前級輸出阻抗和后級的輸入阻抗之間所應滿足的某種關(guān)系，以免接上串聯(lián)后對電路本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。本系統(tǒng)要求衰減器的特征阻抗50，放大器的輸入阻抗為50，本系統(tǒng)通過在輸入端并聯(lián)50電阻實現(xiàn)了阻抗匹配。3.2 增益分配本題目的基本要求放大倍數(shù)為60dB,一級放大不能達到這么大的放大倍數(shù)，所以需要多級放大器組合完成。多級放大器為了避免放大器的自激就需要考慮增益分配的問題。根據(jù)共射級放大電路電壓放大倍數(shù)的定義： Au=Uo/Ui在共射級放大器中在負載電阻一定下，選取晶體管是決定放大倍數(shù)的主要因素。在LC諧振放大

7、器中如圖3.1所示為諧振放大器等效電路圖：圖3.1 諧振等效電路圖其中P1為晶體管的集電極接入系數(shù)，即式中，N2為電感L線圈的總匝數(shù)：P2為輸出變壓器的副邊與原邊匝數(shù)比，即式中N3為副邊總匝數(shù)。3.3 選擇性諧振放大器的選擇性可用諧振曲線的矩形系數(shù)來表示本題目要求諧振頻率：f0=15MHz；允許偏差±100kHz；3dB 帶寬：2f0.7 =300kHz；帶內(nèi)波動不大于2dB；在最大增益情況下，盡可能減小矩形系數(shù)Kr0.1。矩形系數(shù)越接近1，臨近波道的選擇性越好，濾除干擾信號的能力越強。單調(diào)諧的K值等于9.96，參差調(diào)諧小于此值，約3-5。所以本系統(tǒng)選用一級放大加調(diào)諧放大器組成，諧振

8、回路帶寬為諧振回路諧振時所對應的中心頻率表達式為 品質(zhì)因數(shù)，其表達式為： ；矩形系數(shù)通過公式的可以看出要想提高諧振回路的選擇性，就需要提高諧振放大器的中心頻率。根據(jù)公式可以計算出本系統(tǒng)需要Q0的值為50。3.4 AGC本系統(tǒng)將使用控制放大器工作點的方式來實現(xiàn)AGC功能。AGC有兩種控制方式：一種是利用增加AGC電壓的方式來減小增益的方式叫正向AGC，一種是利用減小AGC電壓的方式來減小增益的方式叫反向AGC .正向AGC 控制能力強，所需控制功率大被控放大級工作點變動范圍大，放大器兩端阻抗變化也大；反向AGC所需控制功率小，控制范圍也小。因本系統(tǒng)要求低功耗，所以本系統(tǒng)將應用反向AGC控制，使增

9、益控制在大于40dB即：20log(Vomin/Vimin)20log(Vomax/Vimax)（dB）。3.5 低功耗題目要求放大器部分單電源3.6V供電且功耗不能超過360mW,所以本系統(tǒng)將使用低功耗的電路結(jié)構(gòu)和元器件，以降低系統(tǒng)的功耗。4 電路設(shè)計4.1 衰減器電路設(shè)計衰減器選用型電阻網(wǎng)絡(luò)進行衰減，如圖4.1圖4.1 衰減電路此電路實現(xiàn)了40dB的衰減，同時特征阻抗為50。4.2 共射級放大電路設(shè)計兩級共射放大電路增益共40dB,電路如圖4.2圖4.2 共射級放大電路4.3 選頻放大電路設(shè)計兩級選頻放大電路構(gòu)成參差調(diào)諧放大電路，第一級中心頻率為14.9MHz，第二級中心頻率為15.1MH

10、z，兩級調(diào)諧放大增益為20dB，中心頻率為15MHz，3dB帶寬為2MHz。電路如圖4.3。圖4.3 選頻放大電路4.5 完整電路圖4.6 最大不失真產(chǎn)生電壓及功耗最大不失真輸出電壓能達到1.2VP功耗=VCC*I0=278mW5 測試方法與測試結(jié)果5.1 測試用儀器名稱與型號高頻信號發(fā)生器：SP1461數(shù)字合成高頻標準信號發(fā)生器示波器：RIGOL DS-1152D-EDU數(shù)字萬用表：VICTOR VC975.2 測試方法及結(jié)果5.2.1 衰減器測試 ：將信號源輸出接至衰減器輸入，用示波器觀察衰減器的輸出記錄衰減器的衰減情況如表5.1表5.1輸入信號輸出信號1.0V9.87mV150mV1.34 mV5.2.2 放大器測試 ：將信號源輸出接至衰減器輸入，用示波器觀察200負載的輸出端。信號源輸入有效值5mV正弦波，頻率從10MHz以步進10KHz增加到20MHz，觀察示波器的波形記錄下來諧振的中心頻率、輸出的最大幅值、-3dB帶寬和-7dB帶寬并計算矩形系數(shù)。記錄結(jié)果如表5.2、表5.3、表5.4。表5