高增益LC諧振放大器的設(shè)計(jì)

摘要：

采用分立元件設(shè)計(jì)了一個(gè)3級(jí)單調(diào)諧放大器，可用于通信接收機(jī)的前端電路，通過合理分配各級(jí)增益和多種措施提高抗干擾性，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)際測(cè)試表明具有低功耗、高增益和較好的選擇性。

0前言

高增益LC諧振放大器在通信電子系統(tǒng)中有著重要的用途，通常應(yīng)用在通信接收機(jī)的前端，對(duì)接收機(jī)的靈敏度、抗干擾性和選擇性等整機(jī)指標(biāo)有關(guān)鍵性影響。多級(jí)LC諧振放大器由于具有輸入信號(hào)弱、頻率高、易受干擾、容易自激等特點(diǎn)，電路設(shè)計(jì)時(shí)涉及到電源濾波及退偶電路、級(jí)間耦合電路、阻抗匹配電路、選頻電路及其等效Q值和抗干擾措施等對(duì)電路整體的影響。本文設(shè)計(jì)的放大器具有增益和中心頻率可調(diào)、低功耗、選擇性好的特點(diǎn)。

1電路原理及設(shè)計(jì)思路

高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器對(duì)中心頻率的信號(hào)具有最大放大能力，中心頻率為：

單調(diào)諧放大器的增益為：

式（2）中，r_i為晶體管的輸入電阻，Q_L是回路的有載品質(zhì)因素，R_L是晶體管集電極等效負(fù)載電阻，如果負(fù)載電感帶中心抽頭則需要將下一級(jí)電路的輸入電阻折合到前級(jí)的負(fù)載電阻。選用高β值的晶體管，提高晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)，提高回路的等效品質(zhì)因素均可提高增益。

不過Q_L太高會(huì)使通頻帶太窄，反而可能引起自激，降低放大器的穩(wěn)定性。

實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了提高放大器增益，通常采用多級(jí)單調(diào)諧放大電路級(jí)聯(lián)。n級(jí)相同放大器級(jí)聯(lián)后的帶寬和矩形系數(shù)為：

從式（3）、（4）可以看出，3級(jí)放大器的帶寬約是單級(jí)的一半，矩形系數(shù)是3.74.多級(jí)放大器的帶寬和矩形系數(shù)比單級(jí)放大器都要小。說明多級(jí)電路選擇性更好，但電路也趨于不穩(wěn)定。

減小帶寬和矩形系數(shù)的值可以提高電路的選擇性，由式（3）、（4）分析，增加Q_L和電路級(jí)數(shù)n可以滿足要求，前者可以通過提高電感的繞制工藝實(shí)現(xiàn)，但如果Q_L太高則容易引起自激，不利于放大電路的穩(wěn)定；n增加則增加了電路的復(fù)雜性，不但使電路元器件增加，而且調(diào)試過程加倍繁瑣。本設(shè)計(jì)采用3級(jí)單調(diào)諧電路，制作和實(shí)測(cè)結(jié)果令人滿意。

2電路設(shè)計(jì)過程

單級(jí)電路圖如圖1所示。晶體管使用2SC3355，該晶體管具有特征頻率高（6.5GHz）、結(jié)電容小的優(yōu)點(diǎn)，可以保證所設(shè)計(jì)電路的穩(wěn)定性。先設(shè)計(jì)靜態(tài)工作點(diǎn)，電源電壓3.6V，假設(shè)R1=75kΩ，晶體管T的基極電壓是R1和R2的分壓，為確保晶體管T在放大狀態(tài)，考慮到低功耗，VB可設(shè)為1.0V左右，R2=33kΩ。射極電阻R4和R5的串聯(lián)構(gòu)成串聯(lián)電流負(fù)反饋，起到穩(wěn)定直流工作點(diǎn)的作用。R4取1kΩ，R5使用2kΩ的多圈電位器，通過調(diào)整其值可以調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)，一方面可改變?cè)鲆?，另一方面可調(diào)整放大器的穩(wěn)定性。旁路電容C3取1000pF，以減小對(duì)交流增益的影響。電容C2 （51pF）確定后，根據(jù)公式（1）計(jì)算電感值，我們自行繞制了帶中心抽頭的可調(diào)電感，用Ф0.18mm的漆包線在中周骨架上饒14匝，7匝處抽出，通過電容耦合回路接入下一級(jí)放大器，回路諧振頻率在15MHz附近，使用中間抽頭的電感器可將較大的前級(jí)放大器輸出阻抗與后級(jí)電路較小的輸入阻抗相匹配。R3并聯(lián)在LC諧振回路兩端降低了回路的Q值，可有效防止電路自激，當(dāng)然這樣也降低了選擇性和電路總增益。實(shí)際R3值的選擇需要在增益和穩(wěn)定性上取折衷值。單級(jí)放大器增益調(diào)節(jié)范圍10～30dB.

放大器的電源退耦濾波和級(jí)間耦合回路設(shè)計(jì)是個(gè)難點(diǎn)，同時(shí)也是重點(diǎn)考慮的問題，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，則多級(jí)電路很容易產(chǎn)生自激振蕩。電源濾波采用π型非對(duì)稱電路，可以有效抑制高頻信號(hào)對(duì)直流電源的影響，該濾波電路的位置很重要，須靠近晶體管集電極并處于晶體管和電源之間。級(jí)間耦合電路采用兩個(gè)電容的并聯(lián)，可以有效消除自激和提高電路的穩(wěn)定性。在放大器輸入端需要設(shè)計(jì)阻抗匹配電路，將信號(hào)源內(nèi)阻與放大器輸入阻抗相匹配。輸出端與負(fù)載之間接匹配電路可以提高傳輸?shù)截?fù)載上的功率。阻抗匹配電路的設(shè)計(jì)使用Smith圓圖，采用L型匹配網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)采用多級(jí)電路耦合時(shí)，為了確保放大器的穩(wěn)定性和選擇性，實(shí)際調(diào)試時(shí)可將第一級(jí)電路的諧振頻率設(shè)為稍低于15MHz，第二級(jí)電路的諧振頻率調(diào)為15MHz，第三級(jí)電路的諧振頻率稍高于15MHz，多級(jí)聯(lián)調(diào)時(shí)用掃頻儀可很快完成調(diào)試。特別要說明的是，每級(jí)放大器均需要單獨(dú)設(shè)計(jì)電源濾波和退耦網(wǎng)絡(luò)，而且每級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)均不同，需要實(shí)際調(diào)試確定。三級(jí)放大器完整的電路如圖2所示。

3測(cè)試結(jié)果

測(cè)試線采用一端Q9接口，一端SMA接口的高頻屏蔽同軸電纜，經(jīng)使用高頻信號(hào)發(fā)生器AS1054和示波器TDS2012B測(cè)試，當(dāng)輸入信號(hào)15MHz，1mVrms時(shí)，三級(jí)放大器的電壓增益分別是25dB、28dB和28dB，200Ω負(fù)載上的電壓增益可達(dá)81dB，改變輸入信號(hào)幅度，輸出電壓最大可達(dá)1Vrms而無明顯的波形失真，此時(shí)的電源功耗僅為75mW.用數(shù)字合成掃頻儀SP31000測(cè)試放大器的諧振曲線，帶寬280kHz，矩形系數(shù)為4.8，表明放大器具有低功耗、高增益、良好的穩(wěn)定性和較好的選擇性。

需要注意的是，由于芯片柵極結(jié)構(gòu)，粒子輻射損害在絕緣層引起一定的電荷積累，隨總劑量效應(yīng)增加，勢(shì)阱界面電荷積聚增加，這種效果導(dǎo)致CCD上的有效電壓改變，其中一個(gè)很重要的參數(shù)是ФCh0，零級(jí)門電壓的通道勢(shì)能，這個(gè)數(shù)值對(duì)于TH7890M器件大概是10V或11V.試驗(yàn)結(jié)果表明，輻射損害在感興趣的水平內(nèi)對(duì)CCD響應(yīng)沒有顯著影響。