LC谐振放大电路论文解读.docx

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LC谐振放大电路论文解读

LC谐振放大器（D题

摘要

本题旨在设计一种满足增益、特定带宽、低功耗等条件的LC谐振放大器,故本系统谐振放大部分采用多级谐振放大并结合OPA355集成运放实现窄带,高增益,低压低功耗的谐振放大功能,采用π型滤波和HT7136稳压管制作稳压电源,输出作纯净波形作为电源部分。

LC谐振放大器（D题

1系统方案论证

本题要求设计并制作低压（直流3.6V、低功耗（100mA以内LC谐振放大器。

根据题目要求,本系统主要由衰减器模块、LC谐振放大模块、集成运放模块、自动增益控制（AGC模块和电源模块组成,下面分别论证上述几个模块的设计方案和系统的总体方案。

1.1衰减器模块方案选择

方案一:

π型衰减器

方案二:

T型衰减器

方案三:

桥T

型

综合上述三种方案,T型与π型都较易实现并且计算容易,故本系统选用π型衰减器来实现系统输入信号的衰减。

1.2LC谐振放大器模块方案选择

方案一:

采用双调谐回路谐振放大器。

因为本题要求矩形系数尽可能小,该谐振回路具有频带较宽、选择性较好的优点。

优点是矩形系数低,较单调谐更易实现该条件,缺点是调试难度较大,放大倍数不易实现。

方案二:

采用多级单调谐回路谐振放大器。

由于本题要求增益较大,单级单调谐回路无法满足该增益要求,故采用多级单调谐回路谐振放大器,其特点是增益大,但选择性差,通频带与增益矛盾突出,且多级容易引起自激振荡。

方案三:

采用OPA355运放电路。

运算放大电路进行信号的放大,放大倍数大,更易达到本题所要求增益指标,前级结合双调谐滤波器进行选频滤波。

但采用运放会有频带无法达到指标的问题。

方案四:

综合LC多级单调谐放大和集成运放电路。

多级单调谐放大回路易满足频带要求,而集成运放电路易满足增益要求,该电路结合二者优点。

综合上述四种方案,本设计选择方案四-综合LC多级单调谐放大和集成运放电路。

1.3自动增益控制的方案比较与选择

方案一:

采用单片机或FPGA电路进行自动增益控制,其优点是可扩展功能丰富,性能稳定,但缺点是单片机周边电路设计复杂、软件设计繁杂,不便于设计。

方案二:

采用LM358硬件电路设计,通过LM358芯片及滑阻对信号大小变化进行相应的自动增益调节,电路设计简

单,可实行性大,易于实现。

综合上述两种方案,本设计选择方案二。

1.4电源模块的方案比较与选择

方案一:

变压器与稳压、滤波电路

变压器经稳压管等器件输出直流3.6V。

采用变压器的电源模块,可承受较大电流（最大可达1.5A,满足实验中可能出现的大电流情况。

市电中,除了纹波可能影响放大电路等高频模块的工作,市电中因电涌等情况,也可能影响模块工作,因此采用此方案时必须加入滤波电路。

在设计的方案中,除了采用常见的大电容+小电容滤波外,需再加入π型滤波电路,以保证输出的电流趋于纯净,保证放大电路正常、稳定工作。

7805稳压管及其周边电路满足电路100mA的电流需求。

其整体流程见图1.3.1。

图1.4.1电源模块流程

方案二:

电池供电。

通过三节镍氢电池（每节1.2V串联或单颗3.6V锂离子电池,组成3.6V电源。

电池提供的电源相比方案一更为纯净,不会因为220V交流市电中的杂波而影响放大电路等模块的工作。

但是电池的放电电压会随着时间而降低,除非另行设计电池电压/电流保护模块,否则当电压低于一定值后,电路将无法正常工作或损坏。

在带载为电动马达的情况下,三洋2500mAh镍氢充电电池放电曲线如图1.3.2,因此不适合本系统使用。

图1.4.2

综合考虑后,决定采用方案一-变压器与稳压、滤波电路。

1.5系统的总体方案

根据系统设计要求和各功能模块的方案选择,本系统的总体设计方案原理框图如图1.5.1所示。

输入信号经衰减器衰减量40dB后,进入总共三级三极管放大,后经集成运放放大后输出。

图1.5.1系统整体框图

2系统理论分析与计算

2.1系统增益的分析和计算

本系统需满足不小于60dB的增益,即本系统设计增益放大倍数不小于1000倍

有Au=Vo/Vi

2.1.1单级放大器的增益

单调谐回路放大器是由单调谐回路作为交流负载的放大器,通过LC谐振进行选频放大。

由

计算Q值:

计算电压增益:

2.1.2多级放大器的增益

从对单管单调谐放大器的分析可知,其电压增益取决于晶体管参数、回路与负载特性及接入系数等,所以受到

一定的限制。

如果要进一步增大电压增益,可采用多级放大器。

级联后的放大器的增益、通频带和选择性都将发生变化,且多级单调谐放大器的谐振频率相同,均为信号的中心频率。

由单调谐回路放大器电压增益计算公式得:

2.2AGC电路的分析和计算

一种自动调节系统,其作用是通过环路自身的调解,使输入、输出之间保持某种预定的关系。

用于提高技术性能指标或实现某些特

定功能。

在本放大电路中作为负反馈电路使用,可以增加

带宽,减小失真,提高电路的稳定性。

AGC控制范围大于40dB

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

2.3放大器的带宽与矩形系数计算

（1、m

级放大器的带宽:

（2

、放大器矩形系数:

当级数m增加时,放大器的矩形系数有所改善,但这种改善是有限度的。

多级放大器级数越多,矩形系数越小,与理想矩形特性越接近。

2.3.1选频回路参数计算

选频网络:

根据可计算得到15MHZ选频网络参数,令C=100P可得L≈1uFf0=15MHz

3电路设计

3.1衰减器电路设计

衰减器电路如图1所示,π型滤波器

图3.1衰减器电路

3.2放大电路设计

放大电路如图3.2所示:

（1、多级单调谐振放大器如图3.2.1:

图3.2.1多级单调谐振荡放大器

由四个单级单调谐电路组成,逐级放大,需仔细调节LC谐振网络,否则易引起自激振荡,调试时常需以牺牲增益倍数避免自激振荡,且每级经过耦合电容都有一定程度的衰减,故放大倍数与理论值相差较远。

（2、OPA355谐振运放电路如图3.2.2

:

图3.2.2–OPA355谐振运放电路

使用高速运放OPA355构成谐振运算放大器,具有高增益,带宽选择性好的特点。

通过调节两个电感和精调电阻对信号进行放大。

3.3稳压电源电路设计

电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。

为整个系统提供3.6V稳定直流电压,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,中间结合π型滤波器,提供纯净电源;使用HT7136对整流后的波进行稳压。

其原理图如图3.3

所示:

图3.3稳压电源电路

3.4系统总体电路

系统电路原理图如图3.4所示（不包含电源模块:

图3.4系统总体电路

3.5输出最大不失真电压及功耗的设计

输出最大不失真电压:

40mv

功耗:

工作电压3.6V

工作电流0.04A

功耗小于360W,符合题意

4测试方案与测试结果

4.1测试方法与仪器

1、硬件联调

2、测试仪器

测试仪器:

100MHz模拟示波器、直流电源供应器、高频信号发生器、扫频仪

3、测试方法

（1、接上变压器启动电源,为系统提供3.6V的稳定电源;

（2、用高频信号发生器输入5mv信号进入衰减器;

（3、示波器探针探测放大电路各级输出口,调试各级增益以及谐振频率,逐级调试,直至完整系统电路最后输出口。

（4、改变高频信号发生器输入幅值,调节AGC模块,以调节电路增益的变化。

4.2测试结果及分析

4.3.1测试结果（数据

1.电压增益测试数据

电压增益测试数据如表1所示:

表1

2.谐振放大器幅频特性

幅频特性测试数据如表2所示:

表

2

4.3.2测试结果分析与结论

根据上述测试数据,可以得出以下结论:

1、输入信号在15MHz左右的时候的增益最大

2、信号通频带较窄,基本符合题设要求

综上所述,本设计达到基本要求的所有要求和发挥部分的（2、（3要求。

此外,系统整体功耗仅180mW（50mA*3.6V=180mW,功耗较小,属发挥部分（4的要求。

附录1

:

电路原理图

附录1.1放大电路原理图

附录1.2自动增益控制（AGC

原理图

附录1.3

电源模块原理图

附录1.4衰减器原理图

附录2:

PCB

板

附录2.1放大电路及自动增益控制（AGCPCB图

附录2.2电源模块PCB图

华侨大学厦门工学院电子信息工程系2011年电子设计竞赛内部版附录2.3衰减器PCB图10