D-LC谐振放大器(D题)9_3_1942

LC谐振放大器（D题）

摘要

本设计采用变容管作为调谐器件，采用三级参差调谐放大方式构成窄带谐振放大器，很好的实现了最大86dB的增益及300kHz的带宽,以及优良的矩形系数。采用分立器件搭建自动增益控制电路，并具有较高的增益控制范围。放大器最后输出采用低电压高速轨到轨输出运算放大来驱动负载200欧，实现了最大3V峰峰值输出无明显失真。经测试，整个系统功耗低于300mW。

关键词：变容管，参差调谐，矩形系数 ，自动增益控制

Abstract

Adopting the Varactor as the tuner, and utilizing three stage stagger-tuned amplification which compose the narrow-band resonant amplifier, this system can achieve a gain of 86dB , a bandwidth of 300kHz and a excellent square ratio. Besides, this system possesses AGC function with a control range. According to the testing, most of the indicators was met or exceed. We also finished the requirements of the extended part in the design tasks.

Key words: Varactor, stagger tuned, Square ratio, AGC

1. 系统方案选择与论证

1.1 总体设计方案

经过仔细分析和论证，我们认为此次LC谐振放大器可分为前置放大器，谐振选频电路，后级增益电路，AGC几个部分。系统框图如下：

图1：总体系统框图 1.2 方案选择与论证

1.2.1 固定衰减器选择

本系统要求设计特征阻抗50欧、40dB的衰减器。常用的衰减器可分LC网络衰减，电阻网络衰减等。考虑到制作难度，我们选择电阻式衰减网络，采用π型衰减网络，结构简单，元件取值方便。

1.2.2 前置放大器方案论证

本设计中由于放大的为微弱信号，整个放大器的噪声性能需要特殊考虑，根据级联放大器噪声系数公式：

NF NF1 NF2 1A1 NF3 1A1A2 ... NFN 1A1...AN 1，

放大器总噪声系数主要取决于前端一、二级，为达到较好噪声性能，需使用低噪声的放大器，同时适当增大一二级放大器增益可减少后面放大器噪声系数对总噪声系数的影响。

放大器可做成各种不同形式，既可选用运算放大器或专用集成放大芯片来完成，也可选择采用三极管等分立器件来搭建。从难易程度来说，集成放大芯片使用方便，线性度好。但分立器件相比之具有价格低廉，使用灵活度高的优势，我们选择使用三极管等来搭建此放大器，采用低噪声器件来完成。

1.2.3 谐振选频电路

在本题中要求使用电感电容构成谐振网络，对输入信号进行选择性放大，题中要求-3dB带宽为300kHz，同时要求较好的矩形系数。单级谐振回路难以高质量的完成这些指标。 为提高谐振网络矩形系数，可采用双调谐方式或多级单调谐电路参差调谐。双调谐方式由于两谐振回路相互影响，调试困难。而参差调谐方式由于级间隔离，只需改变各谐振回路谐振频率及Q值，即可达到比较满意的效果。因此，我们选用参差调谐方式来完成设计。

调谐元件既可以是可调电感（如使用中周骨架绕制），也可以是可变电容（如微调电容或变容管等）。无源元件调谐Q值高，选择性好，但其调节精度难以控制，且容易受振动等因素影响。而使用变容管作为调谐元件是，可利用电位器调

节其反向电压，控制精度高。

1.2.4 后级40dB放大器

考虑到总增益要求大于80dB，最终输出幅度要求达到2.8V峰峰值，前级已经具有40dB三极管放大电路。若此时再使用三极管搭建，则受到三极管放大器电源抑制比差的影响，很容易造成自激；同时由于供电电压只有3.6V，三极管饱和压降0.7V，最大输出2.8V峰峰值时，刚好使得三极管处在接近临界饱和状态下，由于三极管为非线性器件，很难实现波形无失真输出，因此我们选用运算放大器来完成此级增益。

1.2.5 AGC电路

我们参考MC1490内部电路结构，使用三级管搭建差分对管AGC电路。由AGC衰减器、AGC检波器构成，工作于反向AGC模式。

2. 理论分析与计算

2.1 增益

按照题目发挥部分要求，放大器的最大增益要大于等于80dB，即要求将输入电压至少放大1万倍。如此大的放大倍数，将分别由几个放大器共同承担。由于采用变容管作为调谐器件，受变容管非线性电容影响，变容管上谐振电压不能太大，否则会引起谐波失真。考虑到前级输入为小信号，并且有固定衰减器对信号进行40dB衰减，我们选择在前置放大器分配40dB增益。为顾及变容管非线性电容影响，参差调谐电路仅作为选频电路而不分配增益。给后级放大电路分配40dB增益。

2.2 AGC电路

AGC电路设置成衰减模式，即通过检测最终输出电压大小，从而控制AGC衰减器衰减倍数，使输出幅度基本恒定。AGC具体参数设计详见电路设计部分

2.3 带宽与矩形系数

单调谐回路的带宽跟其有载Q值密切相关，带宽2 f0.707 f0/QL，本题中要

求带宽300kHz，中心频率15MHz，所以要求QL 15/0.3 50。另外就单谐振回

路而言，选择性不是很好，矩形系数为9.95。我们采用的是三级参差调谐方式，原理如下图所示。

图2 三参差调谐原理

参考文献资料，有以下公式以供设计 ：f1 f0；f2 f0 0.43 f0.707；f3 f0 0.43 f0.707；Q1=f0/ f0.707；Q2=2*Q1；Q3=2*Q1

本题要求带宽300kHz，中心频率15MHz，代入公式得：

Q1=50；Q2=Q3=100；f1 15MHz；f2 15.129MHz；f3 14.871MHz。调

节各级中心频率及Q值则可达到比较理想的效果

3. 电路设计

3.1 衰减网络设计

衰减网络如下图所示，设计输入输出阻抗均为50欧，根据π型衰减网络计算公式：R1 R0(UO UI)/(UO UI)，R2 R0(UO2 UI2)/2UOUI，

信号衰减40dB，代入公式可得：R1 51 ，R2 2497 。R1为标准阻值，R2采取4个10K欧电阻并联。

图3 π型衰减网络 3.2前置放大电路设计

我们选用低噪声JFET 2SK168，低噪声BJT 2SC3355来完成。

如图所示，由于要求放大器输入阻抗为50欧，故在第一级使用2SK168构成共源放大，由于JFET栅极偏置电流很小，在纳安级别，忽略输入电容，放大器的输入电阻就是50欧。场效应管一般跨导较小，为获得一定增益，需加大JFET偏置电流，故将JFET源极接地。

40dB总增益主要由2SC3355构成共射放大来完成，共射放大器输入阻抗为低阻，输出阻抗为集电极电阻，在两级共射放大器间插入射级跟随器作为缓冲，进行阻抗匹配，提高增益。

图4 前置放大器电路图

3.3 谐振选频电路

谐振选频电路设计为本题的关键部分，具体电路如下图所示（图中为单级选频回路原理图，实际电路中为三级，三级元件取值相同）。由电感L，电容C68，C78，变容管B1构成谐振回路，电感采用部分接入方式减弱三极管等效输出电阻对Q值的影响，接入系数为1/9。.变容管选用BB644，其变容范围为3~60p。计算得15MHz时，2.3uH电感谐振电容为49p，在变容范围内。但由于变容管反向偏压小时，等效串联电阻大，Q值低，同时电容值随反向电压变化很大，大信号时容易使谐振点偏移，故采用20p电容与之并联，使得反向控制电压升高。由电位器CR调节变容管反向偏压至谐振，实测反向偏为2.7V左右。后级采用JFET减弱后级输入阻抗对Q值的影响，同时级间耦合采用小电容8pF，降低JFET输

入电容的影响。此时，谐振Q较高，若需较低Q值，只需在电感两端并联合适电阻即可。为使此电路不具有放大能力，设计射级电阻为20k欧。

图5 单级谐振选频电路

3.3后级40dB放大

考虑到最终输出电压要达到1V有效值，并且无明显失真，则要求放大器在低压供电及大信号条件下具有良好的线性性。我们采用单电源低功耗轨到轨输出高速双运算放大器LMH6612构成搭建，每级20dB增益。具体电路如下：

图6 40dB放大

3.4 AGC电路

我们设计的AGC电路分为AGC增益控制器与AGC检波器两部分。AGC增益控制器由Q7，Q9构成差放管，AGC控制电压由Q7基极输入，Q14提供电流偏置同时也作为信号输入端。当AGC控制电压AGCCTRL电压小于Q9基极电压时，Q7截止，Q9、Q14为共射共基放大形式，此时AGC衰减器具有最大增益，AGC模式未启动。当AGCCTRL大于Q9基极电压,Q7开始工作，将改变Q14集电极电流在Q7Q9中的分配，从而改变增益。AGCCTRL电压越大，Q7的集电极电流越大，Q9放大倍数减小。因此，通过滑动变阻器改变Q9基极偏置电压即可改变最终放大器稳定输出幅度。

AGC检波电路即为简单的缓冲过后，经二极管检波，再缓冲输出。

图7 AGC增益控制电路与AGC检波器

3.5 输出最大不失真电压及功耗

由于最后输出级采用的是单电源轨到轨输出运放LMH6612，将其直流偏置调到1.8V,此时可达到最大输出摆幅。参见其数据手册，可以看到在3V供电下，负载为150欧时，最大输出离电源轨仅170mV，每通道静态电流仅有3.2mA，最大输出电流±100 mA，所以，完全能完成指标要求。

电路中各放大级均采用小电流偏置，既可以减小功耗，又可以降低单级放大器增益，增加系统稳定性。整个系统中前级JFET低噪放以及AGC电路功耗较大。

3.6 抗自激措施

我们在实际制作中，采用下述方法避免自激

1. 在供电时，每级放大器电源间采用电感电容构成π型滤波网络，滤除电源干扰。2. 电路各个模块间采用同轴电缆传输信号，同轴线起到屏蔽的作用，避免信号在模块间传递时受到空间辐射干扰。3.地线采用铜皮加宽，减弱地线公共阻抗的影响。4各个小电路回路采用下图所示方式馈电。各回路电流均走小环，各电流环路耦合弱。

图8 小回路供电方式

4. 测试方法与测试结果

4.1 测试仪器与条件

仪器：SPF40型DDS函数发生器（100uHz-40MHz），SP3060型DDS扫频仪（20Hz-60MHz）、TDS2024B 200M数字示波器

测试条件:放大器前级接入40dB衰减器，放大器末端接200欧负载

4.2 衰减器测试

首先将扫频仪进行频率校准，校准后将衰减器用50同轴线连接至扫频

40 2dB4.3 选频特性测试

扫频仪输出接40dB固定衰减，通过50欧同轴线连接放大器前级，最终输出信号通过探针连接至扫频仪输入。

输入功率：-30dBm。

输入阻抗测试：

去掉衰减器，设置函数发生器输出400mV峰峰值，示波器开路测量输出；

将信号用50同轴线连接至输入端，示波器测量输入端信号。函数发生器输出阻

分准确。

4.4 增益及功耗测试

接入40dB衰减器，调节函数发生输出，使放大器输出幅度在2.8V峰峰值。

4.4 AGC动态范围测试

AGC动态范围测试时，采用50%调制度的AM信号来测试，可以很方便的观察放大器的线性度以及是否饱和。

调节AGC起控范围为500mV峰峰值。

在函数发生器大约输出5mV时开始起控，用示波器观察放大器最后输出，输出峰峰值500mV，逐渐加大函数发生器输出，在函数发生器输出600mV时开始略微失真，输出峰峰值2.8V。

由于为50%调制度信号，所以实际输出最大峰峰值为10mV到1.2V,到放大级时信号最大峰峰值为0.1mV到12mV。

根据控制范围计算公式：20log(Vomin/Vimin)－20log(Vomax/Vimax)

线性AGC控制范围有：20log（500/0.1）-20log(2800/12)=74dB-47.4dB=26.6dB

5. 总结

本系统由前置40dB衰减器，40dB前置放大器，谐振选频网络，40dB后级输出放大器，AGC等模块组成。第一级采用低噪声JFET 2SK168搭建共源放大电路，后经两级2SC3355共射放大，由于整个系统噪声系数主要由前一二级噪声系数决定，2SK168、2SC3355的低噪声性能将得以发挥。第二级接的是AGC的增益控制模块，参考放大器芯片MC1490的AGC结构，并将其加以简化，结构简单，增益动态范围大。第三级为选频模块，为三级参差调谐，矩形系数好，采用变容管调谐，调整方便。最后为运算放大器搭建的40dB放大，运算放大器具有很高的电源抑制比，稳定性好。本放大器基本达到了题中所要求的绝大部分指标。但还有很大改进程度，比如采用印制电路板工艺，采用大面积铺地降低地阻抗；制作屏蔽盒，减弱空间辐射耦合干扰，进一步提高增益，矩形系数，AGC控制范围等。