LC諧振放大器的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了基于采用分立元件設(shè)計(jì)的LC諧振放大器的設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)電路，可用于通信接收機(jī)的前端電路，主要由衰減器、諧振放大器、AGC電路以及電源電路四部分組成。通過合理分配各級(jí)增益和多種措施提高抗干擾性，抑制噪聲，具有中心頻率容易調(diào)整、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。電路經(jīng)實(shí)際電路測試表明具有低功耗、高增益和較好的選擇性。
關(guān)鍵詞：諧振放大器；選頻；自激；AGC電路

    小信號(hào)調(diào)諧放大器是高頻電子線路中的基本單元電路，主要用于高頻小信號(hào)或微弱信號(hào)的線性放大。
    1)高頻小功率晶體管與LC并聯(lián)諧振回路
    高頻小信號(hào)放大電路中采用的高頻小功率晶體管與常用電路低頻小功率晶體管的主要區(qū)別是工作截止頻率不同。低頻晶體管只能工作在3 MHz以下的頻率，而高頻晶體管可以工作在幾十到幾百兆赫茲，甚至可達(dá)幾千兆赫茲的頻率上，其噪聲系數(shù)為幾個(gè)分貝。高頻小功率晶體管與低頻小功率晶體管都是工作在甲類工作狀態(tài)，起電流放大作用。
    在接收機(jī)的各級(jí)高頻小信號(hào)放大器中，利用LC并聯(lián)諧振回路的選頻作用，對(duì)諧振點(diǎn)頻率的電流信號(hào)呈現(xiàn)較大的阻抗，而且是純電阻性的，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，而對(duì)失諧點(diǎn)頻率的電流信號(hào)呈現(xiàn)很小的阻抗，抑制失諧點(diǎn)頻率電流信號(hào)的輸出，起到選擇出所需接收的信號(hào)，抑制無用的信號(hào)和干擾的目的。
    2)小信號(hào)諧振放大器的分類
    按調(diào)諧回路劃分：單調(diào)諧回路放大器、雙調(diào)諧回路放大器和參差調(diào)諧回路放大器。
    按所用器件劃分：晶體管放大器、場效應(yīng)管放大器和集成電路放大器。
    按器件連接方式劃分：共基、共射與共集電極放大器或共源、共漏與共柵極放大器。

1 總體方案設(shè)計(jì)
    圖1為高頻小信號(hào)放大電路的總體設(shè)計(jì)框圖。

    1)衰減器：
    分立元件白搭的衰減器。
    例如π型和T型網(wǎng)絡(luò)，精度不高，但衰減效果不錯(cuò)，性價(jià)比高。
    2)諧振放大電路：
    方案一：單調(diào)諧回路放大器。結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，但矩形系數(shù)大，選擇性較差。
    方案二：雙調(diào)諧回路放大器。選擇性好，頻帶較寬，有效解決單調(diào)諧回路諧振放大器的增益與通頻帶之間的矛盾，但調(diào)試復(fù)雜。
    據(jù)題目要求增益很高，綜上所述，選擇方案一。
    3)穩(wěn)壓電源：
    現(xiàn)成的直流穩(wěn)壓源，穩(wěn)定性好，短路保護(hù)過流保護(hù)措施完善。
    A是5 mV的正弦波信號(hào)輸入，產(chǎn)生于高頻信號(hào)發(fā)生器，5mV的信號(hào)經(jīng)過40dB的衰減器之后進(jìn)入諧振放大器，最后輸出信號(hào)Vo在1V以上。

2 單元模塊設(shè)計(jì)
2．1 40dB衰減器設(shè)計(jì)
    衰減器是在指定的頻率范圍內(nèi)，一種用以引入一預(yù)定衰減的電路。一般以所引入衰減的分貝數(shù)及其特性阻抗的歐姆數(shù)來標(biāo)明。
    衰減器有無源衰減器和有源衰減器兩種。有源衰減器與其他熱敏元件相配合組成可變衰減器，裝置在放大器內(nèi)用于自動(dòng)增益或斜率控制電路中。無源衰減器有固定衰減器和可調(diào)衰減器。無源衰減網(wǎng)絡(luò)有T型網(wǎng)絡(luò)圖2(a)和π型網(wǎng)絡(luò)圖2(b)。

    系統(tǒng)的要求特性阻抗為50 Ω，運(yùn)用簡單的衰減器計(jì)算器很容易得到參數(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)π型網(wǎng)絡(luò)。
2．2 諧振放大器設(shè)計(jì)
2．2．1 諧振放大器原理
    圖3所示電路為共發(fā)射極接法的晶體管高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器。它不僅要放大高頻信號(hào)，而且還要有一定的選頻作用，因此晶體管的集電極負(fù)載為LC并聯(lián)諧振回路。在高頻情況下，晶體管本身的極間電容及連接導(dǎo)線的分布參數(shù)等會(huì)影響放大器輸出信號(hào)的頻率和相位。晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)由電阻RB1，RB2及RE決定，其計(jì)算方法與低頻單管放大器相同。

    放大器在高頻情況下的等效電路如圖4所示，晶體管的4個(gè)y參數(shù)yie，yoe，yfe及yre分別為
   
   
    由此可見，晶體管在高頻情況下的分布參數(shù)除了與靜態(tài)工作電流IE，電流放大系數(shù)β有關(guān)外，還與工作頻率ω有關(guān)。晶體管手冊中給出的分布參數(shù)一般是在測試條件一定的情況下測得的。如在fo=30 MHz，IE=2 mA，UCE=8 V條件下測得晶體管的y參數(shù)為：
   
    如果工作條件發(fā)生變化，上述參數(shù)則有所變動(dòng)。因此，高頻電路的設(shè)計(jì)采用工程估算的方法。圖4中所示的等效電路中，p1為晶體管的集電極接入系數(shù)。

    即P1=N1／N2，式中，N1為中間抽頭繞線匝數(shù)。N2為初級(jí)級(jí)線圈的總匝數(shù)。P2為輸出變壓器T的副邊與原邊的匝數(shù)比，即P2=N3／N2，式中，N3為副邊(次級(jí))的總匝數(shù)。
    gL為調(diào)諧放大器輸出負(fù)載的電導(dǎo)，gL=1／RL。通常小信號(hào)調(diào)諧放大器的下一級(jí)仍為晶體管調(diào)諧放大器，則gL將是下一級(jí)晶體管的輸入導(dǎo)納gie2。由圖4可見，并聯(lián)諧振回路的總電導(dǎo)g∑的表達(dá)式為
   
    式中，G為LC回路本身的損耗電導(dǎo)。諧振時(shí)L和C的并聯(lián)回路呈純阻，其阻值等于1／G，并聯(lián)諧振電抗為無限大，則jwC與1／(jwL)的影響可以忽略。
    表征高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的主要性能指標(biāo)有諧振頻率f0，諧振電壓放大倍數(shù)Av0，放大器的通頻帶BW及選擇性(通常用矩形系數(shù)Kr0.1來表示)等。
    放大器各項(xiàng)性能指標(biāo)及測量方法如下：
2．2．2 諧振頻率
    放大器的調(diào)諧回路諧振時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率f0稱為放大器的諧振頻率，f0的表達(dá)式為

    式中，Coe為晶體管的輸出電容；Cie為晶體管的輸入電容。
2．2．3 電壓放大倍數(shù)
    放大器的諧振回路諧振時(shí)，所對(duì)應(yīng)的電壓放大倍數(shù)Av0稱為調(diào)諧放大器的電壓放大倍數(shù)。Av0的表達(dá)式為
   
    式中，g∑為諧振回路諧振時(shí)的總電導(dǎo)。
2．2．4 通頻帶
    由于諧振回路的選頻作用，當(dāng)工作頻率偏離諧振頻率時(shí)，放大器的電壓放大倍數(shù)下降，習(xí)慣上稱電壓放大倍數(shù)Av下降到諧振電壓放大倍數(shù)Av0的0．707倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率偏移稱為放大器的通頻帶BW，其表達(dá)式為
    BW=2△f0.7=fo／QL
    式中，QL為諧振回路的有載品質(zhì)因數(shù)。
    分析表明，放大器的諧振電壓放大倍數(shù)Av0與通頻帶BW的關(guān)系為
   
    上式說明，當(dāng)晶體管選定即yfe確定，且回路總電容C∑為定值時(shí)，諧振電壓放大。
2．2．5 選擇性——矩形系數(shù)
    調(diào)諧放大器的選擇性可用諧振曲線的矩形系數(shù)Kv0.1時(shí)來表示，如圖5所示的諧振曲線，矩形系數(shù)Kv0.1為電壓放大倍數(shù)下降到0．1 Av0時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率偏移與電壓放大倍數(shù)下降到0．707 Av0時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率偏移之比，即
   

3 測試結(jié)果
    1)衰減器測試結(jié)果：輸入信號(hào)14．14 mV輸出信號(hào)0．138 mV特性阻抗50 Ω衰減量40．172 dB。
    2)諧振頻率fo=15．04 MHz。
    3)功耗：由直流穩(wěn)壓源讀數(shù)可得，系統(tǒng)的功耗為W=3．6x，35=126 mW。
    4)-3 dB帶寬：15．20 MHz-14．95 MHz=150 kHz。
    5)2△f0.7(通頻帶)：15．20 MHz-14．95 MHz=150 kHz2△f0.1：14．420 5 MHz-15．659 5MHz=7．687 MHz矩形系數(shù)Kr0.1==2△f0.1／2△f0.7=7．93
    6)電壓增益：數(shù)據(jù)如表所示，電壓增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于題目的基礎(chǔ)要求60 dB。

    設(shè)計(jì)出現(xiàn)過的問題：1)總的電壓增益遠(yuǎn)不等于各級(jí)增益相加之和：2)輸出波形干擾較大。
    原因分析：1)級(jí)間耦合阻抗匹配不合適，級(jí)間的功率消耗大；2)各級(jí)諧振點(diǎn)不完全一致；3)使用外置穩(wěn)壓源帶來的外部很大；4)空氣的少量電磁波對(duì)頻率較高的信號(hào)有干擾。
    解決方法：1)電容耦合變?yōu)樽儔浩黢詈?；微調(diào)LC，改變其諧振頻率，輸出電壓增益有所改善。2)外加一個(gè)屏蔽盒罩在電路板上，改用鋰電池對(duì)系統(tǒng)供電，效果不錯(cuò)，對(duì)干擾有很多的抑制。

4 結(jié)論
    系統(tǒng)經(jīng)高頻信號(hào)發(fā)生器和示波器測試，當(dāng)輸入信號(hào)為15 MHz時(shí)，改變輸入信號(hào)幅度，輸出電壓可達(dá)1Vrms以上而無明顯的波形失真，此時(shí)系統(tǒng)功耗小于130 mW，分析諧振曲線知，系統(tǒng)帶寬150 kHz，矩形系數(shù)達(dá)7．93。系統(tǒng)采用分立元件進(jìn)行多級(jí)諧振放大，加入AGC反饋電路，具有放大、濾波、選頻、自動(dòng)校正功能，表明系統(tǒng)具有低功耗、高增益、較好的穩(wěn)定性和選擇性。