LC谐振放大器设计报告Word下载.docx

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2Δf0.7=300kHz；

带内波动不大于2dB；

d）输入电阻：

Rin=50Ω；

e）失真：

负载电阻为200Ω，输出电压1V时，波形无明显失真。

（3）放大器使用3.6V稳压电源供电（电源自备）。

最大不允许超过360mW，尽可能减小功耗。

（4）在-3dB带宽不变条件下，提高放大器增益到大于等于80dB。

（5）在最大增益情况下，尽可能减小矩形系数Kr0.1。

（6）设计一个自动增益控制（AGC）电路。

AGC控制范围大于40dB。

AGC控制范围为20log（Vomin/Vimin）－20log（Vomax/Vimax）（dB）。

现有的设计方法需要大量复杂的运算，且对放大电路部分输入、输出匹配电阻的确定需应用作图方法来确定，硬件设计结束才可测定指标，设计中不易保证电路设计的可靠性。

本文基于这一点介绍了由分立元件构成的高频小信号放大器的结构，利用multisim软件提供的BJT管模型得出其输出特性以确定所需的匹配电阻，简化了设计过程，并从电路的功能要求和算法分析完成了整个电路的设计，并利用multisim软件进行了性能仿真和分析。

大大提高了设计效率的同时保证了电路设计的质量。

关键词　三极管；

ＬＣ；

谐振；

品质因数；

通频带；

矩形系数；

高频；

小信号

目录

1系统方案4

1.1衰减部分论证与选择4

1.2LC谐振选频放大部分的论证与选择4

2系统理论分析与计算4

2.1衰减部分的分析4

2.1.1VCA810芯片介绍4

2.1.2LC选频放大部分的分析6

2.2LC选频放大部分的计算7

2.2.1LC谐振放大计算7

2.2.2放大增益的计算8

2.2.3谐振曲线8

2.2.4LC谐振放大器的通频带的计算9

2.2.5放大器的矩形系数的计算10

2.2.6谐振回路参数的取值10

3电路与程序设计11

3.1电路的设计11

3.1.1LC谐振放大器总体框图11

3.1.2LC谐振放大器衰减框图与电路原理图11

3.1.3LC谐振放大器选频放大框图与电路原理图11

3.1.4电源13

4测试方案与测试结果13

4.1测试方案13

4.2测试条件与仪器13

4.3测试结果及分析13

4.3.1理论结果（图示）14

4.3.2测试结果（数据）15

4.3.3测试分析与结论16

附录：

电路原理图16

1系统方案

本系统主要由信号衰减模块、LC谐振选频放大模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1信号衰减部分的论证与选择

方案一：

利用模拟电路信号进行衰减，利用阻抗和感抗对15MHZ进行衰减达到题目要求。

方案二：

采用VCA810芯片对信号进行衰减，VCA890芯片的放大范围为-40dB~+40dB，低输入噪声电压只有2.4nv，恒定带宽达到35MHZ，满足题目要求。

综合以上三种方案，由于电阻和电感对交流的抗性不易调节，故采用该方案不易将信号衰减40dB，而采用VCA810芯片很容易对信号的衰减大小进行调节而达到题目要求，考虑到时间和调节难度上故选择方案二。

1.2LC谐振选频放大部分的论证与选择

采用LC并联谐振电路进行15MHZ中心频率的选择，采用高频三极管放大。

共基极放大电路具有比较好的高频响应特性，故采用共基极放大电路对信号进行放大。

其缺点是单极信号增益达不到60dB，因而采用多级放大电路将信号放大，将信号增益大于80dB。

采用LC并联谐振电路进行15MHZ中心频率的选择，采用低功耗芯片进行放大。

查资料得到OPA890低功耗芯片能在3.6V单电源供电下进行信号放大，信号放大增益为-40dB~40dB，信号增益无法达到要求60dB，故该方案可行性不大。

方案三：

采用LC并联谐振电路进行15MHZ中心频率的选择，结合方案一和方案二，采用共基极放大电路对信号进行一级放大，后采用OPA890低功耗芯片对信号进行二级放大，可将信号增益大于80dB达到任务要求。

综合以上三种方案，考虑到OPA890芯片难得买到、成本高以及时间来不及，故选择方案一。

2系统理论分析与计算

2.1衰减部分的分析

2.1.1VCA810芯片介绍

VCA810为高增益调节范围，宽带，可变增益放大器特点：

1、高增益调节范围：

±

40分贝

2、微分/单端输出

3、低输入噪声电压：

2.4nV/√Hz的

4、恒定带宽与增益：

达到35MHz

5、较高的分贝/V的增益线性度：

0.3分贝

6、增益控制带宽：

25MHz的

7、低输出直流误差：

<

40mv

8、高输出电流：

60毫安

9、低电源电流：

24.8毫安（最大为-40°

C至+85°

C温度范围）

图1VCA810内部封装图

图2VCA810管脚图

根据VCA810芯片的参数可知，易将信号在3.6V的工作电压下进行40dB的衰减来满足题设要求。

2.1.2LC选频放大部分的分析

2.1.2.1高频小信号放大器的特点：

（1）频率较高中心频率一般在几百kHz到几百MHz频带宽度在几KHz到几十MHz，故必须用选频网络。

（2）小信号信号较小故工作在线性范围内（甲类放大器）即工作在线形放大状态。

（3）采用谐振回路作负载，即对靠近谐振频率附近的信号有较大的增益，对远离谐振频率附近的信号其增益迅速下降，即具有选频放大作用。

2.1.2.2高频小信号调谐放大器简述：

高频小信号放大器的功用就是无失真的放大某一频率范围内的信号。

按其频带宽度可以分为窄带和宽带放大器，而最常用的是窄带放大器，它是以各种选频电路作负载，兼具阻抗变换和选频滤波功能。

对高频小信号放大器的基本要求是：

（1）增益要高，即放大倍数要大。

（2）频率选择性要好，即选择所需信号和抑制无用信号的能力要强，通常用Q值来表示，其频率特性曲线如图-1所示,带宽BW=f2-f1=2Δf0.7，品质因数Q=fo/2Δf0.7.

图3频率特性曲线

（3）工作稳定可靠，即要求放大器的性能尽可能地不受温度、电源电压等外界因素变化的影响，内部噪声要小，特别是不产生自激，加入负反馈可以改善放大器的性能。

图4反馈导纳对放大器谐振曲线的影响

（4）前后级之间的阻抗匹配，即把各级联接起来之后仍有较大的增益，同时，各级之间不能产生明显的相互干扰。

2.1.2.3谐振频率的确定

高频放大器制作中最关键也是最难的就是选取恰当的电感和电容值，使电路谐振。

谐振时有ωC=1/ωL，通过计算可以确定LC的值，但实际电路与理论计算往往相差很大，甚至能相差十几倍到几十倍，这就需要一定的操作技巧。

多次实验表明，实际振荡频率一般小于计算的频率，这就要用调节的法来确定放大器的谐振频率。

2.2LC选频放大部分的计算

2.2.1LC谐振放大计算

高频小信号调谐放大器的电路基本相同，以接受天线端及高频小信号放大器为例（如图所示）。

其中变压器T2的初级线圈为接收机前端选频网络的一部分，经次级线圈耦合后作为放大器的输入信号，输出端也采用变压器耦合方式来实现选频和输出阻抗匹配。

图5接受天线端及高频小信号放大器

Cb与Ce为高频旁路电容，使交流为通路。

本放大器的高频等效电路（不含天线下断的选频网络）如图所示：

图6调谐放大器的高频等效电路

电路中并联振荡回路两端间的阻抗为：

其中R是和电感串联的电阻，由于ωL>

>

R因此有：

则并联回路两端电压为：

所以，当ωC=1/ωL时Vm有最大值，即回路谐振时输出电压最大。

2.2.2放大增益的计算

放大器输出电压VO（或功率PO）与输入电压Vi（或功率Pi）之比，称为放大器的增益或放大倍数，用Av（或Ap）表示（有时以dB数计算）。

电压增益：

功率增益：

分贝表示：

2.2.3谐振曲线

放大器的谐振曲线是表示放大器的相对电压增益与输入信号频率的关系。

由上式可得：

对谐振放大器来讲，通常讨论的f与f0相差不大，可认为f在f0附近变化，则：

式中，，称为一般失谐。

令，称为广义失谐。

代入上式得：

取模得：

下图是并联谐振回路的单位谐振曲线：

图7放大器的谐振曲线

2.2.4LC谐振放大器的通频带的计算

放大器的电压增益下降到最大值的0.7（即1/

）倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用BW=2Δf0.7表示，如图2-1。

2Δf0.7也称为3分贝带宽。

由于放大器所放大的一般都是已调制的信号，已调制的信号都包含一定的频谱宽度，所以放大器必须有一定的通频带，以便让必要的信号中的频谱分量通过放大器。

与谐振回路相同，放大器的通频带决定于回路的形式和回路的等效品质因数QL。

此外，放大器的总通频带，随着级数的增加而变窄。

并且，通频带愈宽，放大器的增益愈小。

图8高频小信号放大器的通频带

2.2.5放大器的矩形系数的计算

矩形系数的定义：

其中，是时所对应的频带宽度，即

故

根据矩形系数的定义得：

2.2.6谐振回路参数的取值

（一）根据要求应由谐振频率选取电感L，中心频率f0=15MHz取电容为100pF

由公式

得L=1.12uH,根据实物取可调的绕制电感。

3电路设计

3.1.1系统总体框图

系统总体框图如图1所示：

图9LC谐振放大器总体框图

3.1.2LC谐振放大器衰减框图与电路原理图

1、衰减部分框图

图10信号衰减框图

2、衰减部分电路

图11VCA810芯片衰减电路

3.1.3LC谐振放大器选频放大框图与电路原理图

1、LC谐振放大器选频放大子系统框图

图12LC谐振放大器一级选频放大框图

图13LC谐振放大器三级选频放大框图

2、LC谐振放大器选频放大子系统电路：

图14LC谐振放大器一级选频放大电路

图15LC谐振放大器三级选频放大电路

3.1.4电源

电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。

为整个系统提供

5V，

12V和0~18V电压，确保电路的正常稳定工作。

这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。

4测试方案与测试结果

4.1测试方案

硬件测试：

1）检查实物电路的链接与原理图是否一致

2）检查线路焊接是否有虚焊或短路

3）将信号输入，用示波器检测是否有信号输出，检测输出信号是否与预测结果接近

4）对电路进行微调，记下测试结果，分析数据

4.2测试条件与仪器

测试条件：

检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器：

高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，扫描仪

4.3测试结果及分析

4.3.1理论测试结果

图16LC谐振放大器一级放大波形图

图17LC谐振放大器一级中心频率

图18LC放大器一级通频带宽

4.3.2测试结果（数据）

测试结果好下表所示：

表1衰减输出端

电压

mv

频率

Mhz

中心频率Mhz

通频带宽Khz

对0.05mv信号增益dB

信号输入端

5.0

15.0

无

衰减输出端

0.05

15..0

-41.2

一级LC放大输出端

0.67

15.13

265

+23.6

二级LC放大输出端

7.12

15.18

241

+56.2

三级LC放大输出端

496

15.12

216

+82.7

4.3.3测试分析与结论

根据上述测试数据，测试结果与预测结果很接近，故满足了题设要求，由此可以得出以下结论：

1、衰减器衰减增益为-41.2dB满足要求-40±

2dB，该项达到要求

2、谐振频率：

f0=15.12MHz满足要求15MHz±

100kHz，通频带宽216KHZ<

300KHZ,信号放大增益为+82.7dB满足要求>

+60dB和>

+80dB，该项达到设计要求

3、在接入200Ω的负载电阻下，输出电压1V时，波形无明显失真。

该项达到设计要求

综上所述，本设计达到设计要求，由于能力有限，在设计电路时设计衰减器的特性电阻为50Ω，设计LC谐振放大器的输入电阻为50Ω，但在测试时不知道如何测量，不知道实际电路的这两项指标是否达到，请老师指教。

电路原理图

图19LC谐振放大器原理图

图20单极LC谐振放大原理图

图21LC谐振放大器PCB板图