AGC中頻放大器的設(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(自動增益控制)功能的中波頻段小信號放大器，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通過外部可變的控制電壓放大為一個所需要的功率輸出，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AGC電壓控制放大，最后經(jīng)末級放大隔離輸出(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LC濾波網(wǎng)絡(luò)，各級之間均有隔離電容對直流進(jìn)行隔離，三級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)，各級均有濾波電容對供電電源進(jìn)行凈化，三級AGC放大均備有微調(diào)電容以消除信號振蕩和調(diào)整線性增益。


◇方案的論證和評審

根據(jù)該電路的原理、依據(jù)和工藝，可由相關(guān)專家對電路原理的信號流程，每個元器件的規(guī)格型號，尺寸進(jìn)行認(rèn)真的分析，對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(每塊三個，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，在信號衰減60dB時就被埋沒，信號為0dB、10dB時就有自激振蕩，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，根據(jù)這些數(shù)據(jù)整理和前后級屏蔽地線分級隔離，重新布局繪制平面厚膜電路，尤其是相鄰強(qiáng)弱信號的地線屏蔽使其對微弱信號的干擾減少。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中頻放大器的三級電壓增益放大均有三只PIN微波二極管 (2K4D)整形緩沖，它對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，只注意到滿足軍品二極管的通用特性，但產(chǎn)品的一致性(相對控制電壓值各對應(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，組裝前的篩選配對很難進(jìn)行。之后經(jīng)過逐級分析、微調(diào)試驗(yàn)，才能總結(jié)出它的變化規(guī)律。實(shí)際上，只要控制好三級中頻放大對應(yīng)位置的二極管的一致性，即可達(dá)到輸出對應(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，將一致的二極管焊在同一級的位置上，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，同時抗振動沖擊能力增強(qiáng)，不會出現(xiàn)引線振動沖斷。

(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新品種，為今后同類產(chǎn)品的研制提供了相對很好的經(jīng)驗(yàn)。