大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽—LC振蕩器

1、1 題目要求1任務(wù) 設(shè)計(jì)并制作一個(gè) LC諧振放大器。2要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)低壓、低功耗 LC 諧振放大器；為便于測(cè)試，在放大器的輸 入端插入一個(gè) 40dB 固定衰減器。圖 1.1 電路框圖2. 1 基本要求（1）衰減器指標(biāo)：衰減量 40± 2dB，特性阻抗 50，頻帶與放大器相適應(yīng)。（2）放大器指標(biāo)：a）諧振頻率： f0 =15MHz ；允許偏差± 100kHz；b）增益：不小于 60dB；c）- 3dB 帶寬：2f0.7 =300kHz；帶內(nèi)波動(dòng)不大于 2dB；d）輸入電阻： Rin=50 ；e）失真：負(fù)載電阻為 200，輸出電壓 1V 時(shí)，波形無(wú)明顯失真。（3）放大器使用

2、 3.6V 穩(wěn)壓電源供電（電源自備）。最大不允許超過(guò) 360mW， 盡可能減小功耗。2. 2 發(fā)揮部分（1）在 -3dB 帶寬不變條件下，提高放大器增益到大于等于 80dB。（2）在最大增益情況下，盡可能減小矩形系數(shù) Kr0.1。（3）設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)增益控制（ AGC）電路。 AGC 控制范圍大于 40 dB。 AGC 控制范圍為 20log（Vomin/Vimin） 20log（Vomax/Vimax）（dB）。（4）其他。2 系統(tǒng)方案2.1 系統(tǒng)方案與比較2.1.1 衰減器電路部分 方案一：采用 T型衰減器圖2. 1 T型衰減器如圖2.1所示電路可以在不改變等效電阻的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)電壓衰減

3、，圖中增加的兩 個(gè)電阻可以保持等效電阻不變，所以此網(wǎng)絡(luò)被稱為 T型網(wǎng)絡(luò)電路。圖 2.2 型衰減器方案二：采用 型衰減器公式為：如圖2.2所示電路為 型網(wǎng)絡(luò)電路。 它與T型網(wǎng)絡(luò)電路一樣可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)衰減并保持輸 入阻抗不變。假設(shè)衰減為 40dB，輸入輸出阻抗為 50時(shí)， T型衰減器中 R51，R11，而 型 衰減器中 R 51，R12.5k。由于受引線和焊點(diǎn)的影響，阻值過(guò)小，很難保證其精度， 從而影響衰減的準(zhǔn)確度。所以，當(dāng)要求衰減較大時(shí)用 型衰減器較合適。2.1.1 調(diào)諧放大電路部分 方案一：兩級(jí)共射級(jí)放大電路和一級(jí)調(diào)諧電路，單調(diào)諧放大電路，電路簡(jiǎn)單但矩形系數(shù)僅為 9、96。 方案二：兩級(jí)共射級(jí)放

4、大電路和參差調(diào)諧電路，參差調(diào)諧放大電路，矩形系數(shù)能達(dá)到3-5，但電路復(fù)雜調(diào)試?yán)щy，所以我們選擇方案一。2.1.2 可控增益電路部分方案一：采用控制電壓與增益成線性關(guān)系的可編程增益放大器PGA?？煽卦鲆娣糯笃鳎ㄈ鏏D603 ）內(nèi)部由 R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，加在其梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端的 信號(hào)經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口參考電壓決定；而 這個(gè)參考電壓可通過(guò)控制器進(jìn)行運(yùn)算并控制 D/A 芯片輸出控制電壓得到，從而實(shí)現(xiàn)較精確 的數(shù)控。但因功耗較大，且無(wú)法在 3.6V單電源供電下正常工作，所以不選用此方案。方案二：采用分立元件使輸出電壓通過(guò)二極管檢波電路和低通電

5、路轉(zhuǎn)換為直流電壓， 用單片機(jī)進(jìn)行采集， 并通過(guò) DA輸出直流電壓至放大電路的工作點(diǎn)調(diào)節(jié)處， 通過(guò)此反饋實(shí)時(shí) 調(diào)整放大電路的工作點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn) AGC功能。因此方案選用都是分立元件，故可在低電壓情 況下穩(wěn)定工作，所以選擇此方案。2.2 系統(tǒng)總體構(gòu)成本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括四大部分：衰減器、共射級(jí)放大電路、選頻放大電路、可控增益電路部分等系統(tǒng)構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)方框圖如圖 2.3所示。信號(hào)源輸出 5mV交流信號(hào)，經(jīng)衰減器輸出 進(jìn)入兩級(jí)放大， 再經(jīng)兩級(jí)調(diào)諧放大器后輸出給 200負(fù)載，AGC電路是在負(fù)載輸出端采集電 壓再通過(guò)二極管檢波電路， 后經(jīng)單片機(jī)采集再通過(guò) DA 輸出接至共射級(jí)放大電路的工作點(diǎn)調(diào) 節(jié)處。+5V圖 2

6、.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方框圖3 理論分析與計(jì)算3.1 阻抗匹配信號(hào)傳輸過(guò)程中負(fù)載阻抗和信源內(nèi)阻抗之間的特定配合關(guān)系。電路間多級(jí)串聯(lián)的前級(jí) 輸出阻抗和后級(jí)的輸入阻抗之間所應(yīng)滿足的某種關(guān)系，以免接上串聯(lián)后對(duì)電路本身的工作 狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。本系統(tǒng)要求衰減器的特征阻抗 50，放大器的輸入阻抗為 50，本系統(tǒng)通過(guò)在輸入端 并聯(lián)50電阻實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配。3.2 增益分配本題目的基本要求放大倍數(shù)為 60dB,一級(jí)放大不能達(dá)到這么大的放大倍數(shù)， 所以需要多 級(jí)放大器組合完成。多級(jí)放大器為了避免放大器的自激就需要考慮增益分配的問題。根據(jù)共射級(jí)放大電路電壓放大倍數(shù)的定義：Au=Uo/Ui在共射級(jí)放大器中在負(fù)載電阻一

7、定下，選取晶體管是決定放大倍數(shù)的主要因素在LC諧振放大器中如圖3.1所示為諧振放大器等效電路圖：圖 3.1 諧振等效電路圖其中 P1為晶體管的集電極接入系數(shù)，即式中， N2為電感L線圈的總匝數(shù)： P2為輸出變壓器的副邊與原邊匝數(shù)比， 即式中N3為副邊總匝數(shù)。3.3 選擇性諧振放大器的選擇性可用諧振曲線的矩形系數(shù) 來(lái)表示 本題目要求諧振頻率： f0=15MHz；允許偏差± 100kHz；-3dB 帶寬： 2f0.7 =300kHz； 帶內(nèi)波動(dòng)不大于 2dB；在最大增益情況下，盡可能減小矩形系數(shù) Kr0.1 。矩形系數(shù)越接近 1，臨近波道的選擇性越好，濾除干擾信號(hào)的能力越強(qiáng)。單調(diào)諧的K值

8、等于9.96 ，參差調(diào)諧小于此值，約 3-5。所以本系統(tǒng)選用一級(jí)放大加調(diào)諧放大器組成， 諧振回路帶寬為諧振回路諧振時(shí)所對(duì)應(yīng)的中心頻率表達(dá)式為品質(zhì)因數(shù)，其表達(dá)式為： ；矩形系數(shù)通過(guò)公式的可以看出要想提高諧振回路的選擇性， 就需要提高諧振放大器的中心頻率。 根據(jù)公式可以計(jì)算出本系統(tǒng)需要 Q0的值為 50。3.4 AGC本系統(tǒng)將使用控制放大器工作點(diǎn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn) AGC 功能。AGC 有兩種控制方式：一種是利用增加 AGC電壓的方式來(lái)減小增益的方式叫正向 AGC，一種是利用減小 AGC電壓的方式來(lái)減小增益的方式叫反向 AGC .正向AGC 控制能力 強(qiáng)，所需控制功率大被控放大級(jí)工作點(diǎn)變動(dòng)范圍大，放大器

9、兩端阻抗變化也大；反向 AGC 所需控制功率小， 控制范圍也小。 因本系統(tǒng)要求低功耗， 所以本系統(tǒng)將應(yīng)用反向 AGC控制， 使增益控制在大于 40dB即： 20log(Vomin/ Vimin) 20log(Vomax/Vimax)(dB)。3.5 低功耗題目要求放大器部分單電源 3.6V 供電且功耗不能超過(guò) 360m W, 所以本系統(tǒng)將使用低功 耗的電路結(jié)構(gòu)和元器件，以降低系統(tǒng)的功耗。4 電路設(shè)計(jì)4.1 衰減器電路設(shè)計(jì)衰減器選用 型電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行衰減，如圖 4.1圖 4.1 衰減電路 此電路實(shí)現(xiàn)了 40dB的衰減，同時(shí)特征阻抗為 504.2 共射級(jí)放大電路設(shè)計(jì)兩級(jí)共射放大電路增益共 40dB,

10、電路如圖 4.2圖 4.2 共射級(jí)放大電路4.3 選頻放大電路設(shè)計(jì)兩級(jí)選頻放大電路構(gòu)成參差調(diào)諧放大電路，第一級(jí)中心頻率為14.9MHz ，第二級(jí)中心頻率為 15.1MHz，兩級(jí)調(diào)諧放大增益為 20dB，中心頻率為 15MHz，3dB帶寬為 2MHz 。電路 如圖4.3。4.5 完整電路圖4.6 最大不失真產(chǎn)生電壓及功耗最大不失真輸出電壓能達(dá)到 1.2VP功耗 =V CC* I0=278mW5 測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果5.1 測(cè)試用儀器名稱與型號(hào) 高頻信號(hào)發(fā)生器： SP1461數(shù)字合成高頻標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器 示波器： RIGOL DS-1152D-EDU 數(shù)字萬(wàn)用表： VICTOR VC975.2 測(cè)試方法及結(jié)果5.2.1 衰減器測(cè)試 ：將信號(hào)源輸出接至衰減器輸入，用示波器觀察衰減器的輸出記錄衰減器的衰減情況如 表5.1表5.1輸入信號(hào)輸出信號(hào)1.0V9.87mV150mV1.34 mV5.2.2 放大器測(cè)試 ：將信號(hào)源輸出接至衰減器輸入，用示波器觀察 200負(fù)載的輸出端。信號(hào)源輸入有效值 5mV正弦波，頻率從 10MHz以步進(jìn) 10KHz增加到 20MHz，觀察示波器的波形記錄下來(lái)諧振 的中心頻率、輸出的最大幅值、