AGC中頻放大器設(shè)計(jì)

概述

    FD05型AGC中頻放大器模塊是用于通訊設(shè)備的具有AGC(自動(dòng)增益控制)功能的中波頻段小信號(hào)放大器，主要為散射凋制、解凋分系統(tǒng)配套。它可將微弱的中頻小信號(hào)通過外部可變的控制電壓放大為一個(gè)所需要的功率輸出，其中心頻率為70 MHz。

    該產(chǎn)品的主要指標(biāo)如下：

控制電壓：Vcon=0～3V

電源電流：Icc≤300 mA

輸出電壓：Vo=0.1～2V

輸出最大增益：KM≥60 dB

可控增益范圍：Avr≤55 dB

中心頻率：fo=68～72 MHz

頻帶寬度：BW=10～16 MHz

帶內(nèi)平坦度：Fm≤±2 dB

該產(chǎn)品的環(huán)境可靠性指標(biāo)如下：

電源電壓范圍：+12V±5％（典型值+12V）

外殼工作溫度范圍：一40～+85℃

存儲(chǔ)溫度范圍：一55～+125℃

    此外，該產(chǎn)品采用雙列直插模塊式，外型尺寸不大于(66.5×46.8×15mm，適用于SJ20668—98微電路模塊總規(guī)范，產(chǎn)品可以每四個(gè)一組保持相同的線性控制電壓。

設(shè)計(jì)方案的確定

    根據(jù)模塊的功能要求及環(huán)境要求，設(shè)計(jì)時(shí)首先初步確定了電路模式，并繪制出電路原理圖，然后進(jìn)一步分析原理框圖中所需的元器件，并借助EDA仿真來模擬分選元器件，以基本實(shí)現(xiàn)電路功能。

    根據(jù)方案的設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)平面化沒計(jì)制板，以厚膜工藝組裝，確定的主要工藝流程如圖1所示。

程序設(shè)計(jì)和電路原理

◇設(shè)計(jì)程序

    首先可根據(jù)電路功能和該產(chǎn)品各工作部位的要求構(gòu)畫出原理框圖和工藝流程，然后細(xì)化每一功能所需的元器件和輔助元件，并降額冗余選擇，保證元器件質(zhì)量的可靠性。

◇電路工作原理

    H-FD05模塊的內(nèi)部功能框圖如圖2所示。圖中中頻輸入信號(hào)經(jīng)隔離電容、匹配網(wǎng)絡(luò)放大后，由帶通濾波器濾除其它雜波，冉經(jīng)匹配放大，然后通過三級(jí)AGC電壓控制放大，最后經(jīng)末級(jí)放大隔離輸出(直流隔離)，使之達(dá)到60dB增益的中頻輸出?？紤]到噪聲和紋波的干擾，AGC控制電壓加了一級(jí)LC濾波網(wǎng)絡(luò)，各級(jí)之間均有隔離電容對(duì)直流進(jìn)行隔離，三級(jí)AGC電壓放大均由PIN微波二極管整形緩沖，+12V電源加到模塊內(nèi)，各級(jí)均有濾波電容對(duì)供電電源進(jìn)行凈化，三級(jí)AGC放大均備有微調(diào)電容以消除信號(hào)振蕩和調(diào)整線性增益。

◇方案的論證和評(píng)審

    根據(jù)該電路的原理、依據(jù)和工藝，可由相關(guān)專家對(duì)電路原理的信號(hào)流程，每個(gè)元器件的規(guī)格型號(hào)，尺寸進(jìn)行認(rèn)真的分析，對(duì)一些有爭議的部位或元器件進(jìn)行一定的修正。濾波器一般應(yīng)外接，以便于帶寬調(diào)整，使其電路比較完善，也便于后續(xù)工作的實(shí)施。

研制過程

◇元器件的選取

    根據(jù)電路原理應(yīng)選擇可靠元器件，并在集成電路中選擇滿足需要的功能。N1、N2 前級(jí)放大選用高精射頻放大器，N3、N4和N5選用高穩(wěn)定度中頻放大集成電路，N6末級(jí)大放選用低溫度系數(shù)的表貼中頻功放，并要求使用溫度范同要寬，以滿足工作的可靠性。電阻均采用1％高精度厚膜電阻，功率電阻均勻分布，以保證高低溫及振動(dòng)沖擊的穩(wěn)定性；PIN微波二極管選用耐壓高、特性一致、結(jié)電容小、全表貼型，并且配對(duì)使用；電容均采用高可靠的獨(dú)石電容，電源濾波電容采用高穩(wěn)定的X7R和超陶電容相結(jié)合，以加強(qiáng)濾波效果；調(diào)諧整形電容選用高穩(wěn)定度的 NP0片電容，保證寬溫下工作的低失真；電感選用高穩(wěn)定的微型表貼電感，以確保小尺寸下的低溫升和線性輸出。

◇結(jié)構(gòu)選擇

    依據(jù)產(chǎn)品的小尺寸、輕重量、工作溫度范圍寬等要求，同時(shí)考慮到國產(chǎn)成熟的配套能力和單位為貫標(biāo)生產(chǎn)線的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，該產(chǎn)品開始定為38線金屬殼焊封。由于輸出端子和外部調(diào)諧整形、測試端比較多，并且要求引出端有一定的忍性，故選用雙列排式引線結(jié)構(gòu)，電源、輸入、輸出端子分開排列，并增加了引出端子的接地屏蔽，使之達(dá)到用戶提出的要求。

◇改進(jìn)

    為提高產(chǎn)品特性，使之準(zhǔn)確反應(yīng)放大器的功能，針對(duì)降低殼體尺寸和提高精度等要求，除考慮集成電路的應(yīng)用范圍外，還對(duì)此采取了相應(yīng)的轉(zhuǎn)換措施，重點(diǎn)解決表貼元器件的尺寸，使之殼體尺寸降為28線平行封焊，殼體尺寸從最大的66.5×46.8× 15mm降至41×28×6mm；另外還加強(qiáng)了PIN二極管的一致性配對(duì)(每塊三個(gè)，四塊一套共l2只)從而提高了產(chǎn)品的精度。

設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)及解決措施

◇結(jié)構(gòu)布局

    該AGC中頻放大器的中心頻率為70 MHz(屬高頻范圍)，其結(jié)構(gòu)布局非常重要。在電路設(shè)計(jì)初期，雖然根據(jù)引線尺寸結(jié)構(gòu)和電路流程進(jìn)行了精細(xì)布局，縮短走線，靠近各引線端，控制線寬和線間距。但電路仍不理想，在信號(hào)衰減60dB時(shí)就被埋沒，信號(hào)為0dB、10dB時(shí)就有自激振蕩，通過大量的實(shí)驗(yàn)和消自激電容的調(diào)整以及穿插接地，使之勉強(qiáng)在寬增益下達(dá)到輸出要求。但在殼體尺寸進(jìn)一步降低時(shí)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)整理和前后級(jí)屏蔽地線分級(jí)隔離，重新布局繪制平面厚膜電路，尤其是相鄰強(qiáng)弱信號(hào)的地線屏蔽使其對(duì)微弱信號(hào)的干擾減少。另外，輸入、輸出分別設(shè)計(jì)在陶瓷基板的兩頭對(duì)角，內(nèi)部電路流程設(shè)計(jì)成S走線，并如圖3所示分別隔離，最終才達(dá)到指標(biāo)要求，即使這樣，在高低溫實(shí)驗(yàn)時(shí)仍有不穩(wěn)定現(xiàn)象。通過微調(diào)電容和殼體接地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，終于發(fā)現(xiàn)殼體的影響和端口駐波反射、內(nèi)部功率電阻對(duì)射頻放大器的干擾影響。經(jīng)過再次改進(jìn)電路布局，將多余端線接口引線直接焊到基板，輸入、輸出端口采用高頻插頭以及殼體大面積接地，包括基背面導(dǎo)電帶接地，并調(diào)大功率電阻的面積，減小發(fā)熱，才使之能在高低溫下穩(wěn)定可靠的工作，同時(shí)還使其以自身來補(bǔ)償輸出自激。

◇采用微波二極管提高電路精度

    該AGC中頻放大器的三級(jí)電壓增益放大均有三只PIN微波二極管 (2K4D)整形緩沖，它對(duì)輸出增益的一致性和增益控制電壓值尤其重要，該二極管的參數(shù)為：反向電壓VB≥200 V、正向微分電阻Rr≤1Ω、結(jié)電容CP≤0.40PF、耗散功率PW≥0.3w。開始組裝時(shí)，只注意到滿足軍品二極管的通用特性，但產(chǎn)品的一致性(相對(duì)控制電壓值各對(duì)應(yīng)的各輸出幅值)都沒有引起足夠的重視，無法按用戶要求的四個(gè)一組進(jìn)行配套，即容易造成生產(chǎn)成本的浪費(fèi)。在初次問題分析中始終沒有找到問題所在，只是認(rèn)為三個(gè)中放電路的不一致。經(jīng)與用戶探討和試驗(yàn)摸索發(fā)現(xiàn)：微波二極管的正向微分電阻和結(jié)電容直接影響其輸出一致性。事實(shí)上，二項(xiàng)參數(shù)一起配對(duì)并且一塊三只，四塊一組共12支要求一樣也比較困難，組裝前的篩選配對(duì)很難進(jìn)行。之后經(jīng)過逐級(jí)分析、微調(diào)試驗(yàn)，才能總結(jié)出它的變化規(guī)律。實(shí)際上，只要控制好三級(jí)中頻放大對(duì)應(yīng)位置的二極管的一致性，即可達(dá)到輸出對(duì)應(yīng)。至此，便可采用精分微波二極管的結(jié)電容，將其參數(shù)一致性的結(jié)電容(精確到0.01PF)裝在一起，以減少配套的工作量。在組裝時(shí)，將一致的二極管焊在同一級(jí)的位置上，從而提高了產(chǎn)品的合格率，達(dá)到了用戶要求。但針對(duì)各批次的一致性精度，還需掌握其規(guī)律進(jìn)行控制，故要繼續(xù)統(tǒng)計(jì)分類，保證用戶放心使用和更換。

產(chǎn)品特點(diǎn)

    因?yàn)樵摲糯笃鳘?dú)特的通用性，與同類產(chǎn)品相比，針對(duì)原分立器件組裝的AGC中頻放大器專用模塊，該產(chǎn)品除保證了原有的電特性有所提高以外，還有如下一些特點(diǎn)：

(1)模塊尺寸小，引出端采用標(biāo)準(zhǔn)28線平行封焊，插拔更換比較方便。

(2)重量輕，機(jī)械可靠性好。由于采用全表面貼裝結(jié)構(gòu)，元器件全部小型化、微型化，使之重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于分立器件，同時(shí)抗振動(dòng)沖擊能力增強(qiáng)，不會(huì)出現(xiàn)引線振動(dòng)沖斷。

(3)采用全金屬接地屏蔽、調(diào)諧方便。由于備份調(diào)整端子多，帶通濾波器外接，故可根椐需求很容易改變中心頻率和增益范圍等。

(4)模塊產(chǎn)品尺寸如圖4所示。

(5)該放大器的引出端排列符合圖5規(guī)定。表1所列是其引出端功能。

結(jié)論

    表2給出了該放大器的實(shí)測數(shù)據(jù)與要求指標(biāo)的比較。

    該產(chǎn)品在生產(chǎn)和調(diào)試過程中，嚴(yán)格按照制定好的工藝流程和質(zhì)量控制進(jìn)行。加之表面組裝的厚膜工藝和殼體封裝工藝都比較成熟，因而其實(shí)測數(shù)據(jù)完全滿足要求，且已通過設(shè)計(jì)定型。本AGC中頻放大器模塊可取代由分立器件組裝的電路形式。該模塊是中頻放大器專用模塊的一個(gè)新品種，為今后同類產(chǎn)品的研制提供了相對(duì)很好的經(jīng)驗(yàn)。