LC谐振放大器 (D题)

2011年全国大学生电子设计竞赛设计报告题目：LC谐振放大器 (D题)队号：512077LC 谐振放大器摘要：本系统以高频小信号LC 谐振放大电路为核心，设计制作了振荡频率为15MHz 的谐振放大器。

系统第一部分输入信号通过π型电阻网络衰减电路实现信号衰减dB 240±的功能，同时完成电路阻抗匹配，使信号能够很好的传给下一级放大电路。

综合考虑功耗、通频带、选择性噪声影响及工作稳定等因素，第二部分设计了两级高频小信号单调谐放大电路相串联来完成60dB 的放大。

每级高频小信号放大电路均采用分立元件搭建而成，使用三极管S9018作为高频放大管，谐振负载采用LC 并联谐振回路。

通过各个模块间的配合使用，实现了谐振频率达15MHz ，上下偏差不超过100KHz ，并且系统带宽为KHz f 30027.0=∆，带内波动不大于dB 2，同时又降低了整个系统的成本及提高了系统的可实现性。

总的来说，本系统基本符合指标的要求。

关键词：衰减器 谐振回路 高级小信号放大 阻抗匹配目录一、系统方案论证 (4)1、衰减器方案论证 (4)2、LC谐振放大器方案论证 (4)二、理论分析与计算 (4)三、电路设计 (5)1、衰减电路设计 (5)2、LC谐振放大电路设计 (6)四、系统测试 (7)1、放大性能测试 (7)2、通频带测试 (8)3、矩形系数 (9)4衰减电路测试 (10)五、总结 (10)一、系统方案论证经过仔细地分析和论证，根据题目要求，将本次谐振放大器由分为两大部分：即衰减电路和LC 谐振放大电路。

1、衰减器方案论证方案一：采用集成运放构成有源衰减器，但这种衰减器输出容易产生超调或振荡现象，这种衰减器用常于自动增益和斜率控制电路中，电路比较复杂，不容易实现。

方案二：采用π型电阻网络衰减器，这种衰减器又称为无源衰减器。

利用这种衰减电路不仅可以对信号进行准确衰减而且还能进行阻抗匹配，从而提高测量准确度。

π型衰减器可以在规定的频率范围内实现较理想阻抗变换而且π型衰减器尺寸小、成本低、功耗低、电路简单、易于实现等诸多优点。

因此在本设计中，我们选择π型衰减器。

2、LC 谐振放大器方案论证方案一：直接利用集成运算放大器构成高频谐振放大器对信号进行放大。

这种放大电路具有体积小，电路结构简单等优点，但它对器件依赖性强，信号保真度差，而且价格昂贵，更为重要的是使用运放芯片后会大大提高电路的功耗，所以本设计不选择该方案。

方案二：利用分立元器件搭成高频小信号LC 谐振放大电路。

采用S9018三极管作为高频放大管，LC 并联谐振回路作为谐振负载。

考虑到放大倍数和通频带等因素，采用两级放大相串联的形式，每级放大35dB 。

从放大器选择性的角度来看单谐回路的选择性不如双调谐回路，但是双调谐回路的调整相对比较麻烦，因此谐振负载仍采用单调谐回路。

该种方案不仅价格便宜，电路简单，而且对于电路的调节也相对方便，因此我们选择方案二。

系统的总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图二、理论分析与计算按基本要求增益需要达到60dB ，因此增益部分采用两级串联放大。

每级放大电路均使用单谐振回路谐振放大电路的典型接法，其中采用9018作为高频放大管。

该放大电路的静态工作点主要由2R 、2W R 、3R 、6R 和CC V 确定，利用这种分压偏置方式可以很好的稳定工作点。

对于小信号高频放大，为防止出现在波形失真本放大器工作电流CQ I 一 般取在2mA 左右，取Ω=5606R 。

分压电阻3R 可利用式BQ BQ I V R )10~5/(3=求得，这里取电阻18ΩK 。

而32]/)[(R V V V R BQ BQ CC -=，考虑调整静态电流CQ I 的方便电路用47ΩK 电阻和5.1ΩK 电位器相串联。

单谐振回路中取H L μ2=，1n 取0.5，2n 取1，则pF Lf C o 4.56)2(12==∑π。

三极管9018在mA I EQ 2=时的Y 参数可通过查手册获得，因此通过计算公式可求得dB G Y n n A fe uo 35/21≈=∑。

因此两级放大的增益能很好的完成设计要求。

LC 谐振回路中电容C 可通过oe C n C C 21-=∑求得为54.6pF ，为了便于实现调试，取47 pF 的固定电容和可调范围为5~22 pF 的可调电容并联使用。

谐振回路中的电感L 采用手工绕制，磁芯采用镍锌铁氧体。

电感量利用公式322104-⨯=N l AL μπ计算出。

在绕制时选用了较细的漆包线，而且匝数尽可能的少，间距拉的大一些。

电路的品质因数利用L G Q L 0/1ω∑=计算可得，则单级放大电路的通频带达到600kHz,因此两级放大电路的总通频带为300 kHz ，满足课题设计要求。

由于采用了两级放大，所以对电路的选择性有所改善，使其矩形系数更接近于1。

利用公式1211002/17.01.01.0--==BW BW K ，可求得矩形系数为4.66。

三、电路设计 1、衰减电路设计衰减电路要对高频信号进行准确衰减同时必须进行阻抗匹配，不然就会形成驻波或反射，影响测量准确度。

这里我们选用的是π型衰减器，衰减网络电路如图2所示。

图2 衰减器电路图信号源输出阻抗和负载阻抗均为Ω=500R ,电压衰减倍数为100==outinV V A ，in V 和out V 分别为衰减器的输入电压和输出电压，令R R R ==31，根据阻抗匹配条件，从in V 往右看对地阻抗等于信号源的输出阻抗0R ，即：002)////(R R R R R =+ （1）再根据电压衰减倍数的要求outinV V A =，即： 03////R R R R R V V A out in +==（2）由（1）、（2）计算可得：Ω=⨯-+=50110R A A R ，Ω=-=K R AA R o 5.2*2122电路中2.5pF 的电容在衰减中起补偿作用，以改善频率响应，避免自激。

2、LC 谐振放大电路设计电路放大部分，采用两级相同的高频小信号放大器相联级，每一级放大电路均由S9018三极管配合LC 谐振回路实现信号放大作用。

其中一级高频小信号单调谐谐振放大电路如图3所示。

作为高频放大管的S9018三极管特征频率高，可达1100MHz ，对电源电压变化和环境温度变化具有稳定的振荡和小的频率漂移，高频噪音系数比较低等优点。

图3 高频小信号单调谐谐振放大电路图中2R 、2W R 、3R 和6R 用以保证晶体管工作于放大区域，从而使放大器工作于甲类，7C 为6R 的旁路电容，2C 、4C 是输入输出耦合电容，L 、C 是谐振电路。

为了减轻负载、输入电阻等对回路的影响，电路输入、输出部分采用部分接入法。

利用该级电路可以完成电压增益35dB ，频带宽度为500kHz 。

在第二级放大电路之后为了满足200Ω负载与放大电路输出电阻之间的阻抗匹配，在第二级放大电路的输出端与负载之间加入了一个滤波阻抗匹配网络，如图4所示。

利用1-=LpR R Q 、L QR L =ω和L R Q Q C 211+=ω可以计算出电感L 和电容C 的值。

图4 滤波匹配电路四、系统测试 1、放大性能测试测试仪器：信号发生器，示波器。

测试方法：用函数发生器产生值为50mV ,15MHz 的正弦波信号, 通过示波器观察到输出电压信号的波形。

测试结果：2、通频带测试测试仪器：信号发生器，示波器。

测试方法：通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。

本次设计采用逐点法。

即先调谐放大器的谐振回路使其谐振，即调谐到15MHz，记下此时的输出电压U，oU不变），计算出放大倍数，然后改变高频信号发生器的频率（保持其输入电压i并测出对应的输出电压，计算出放大倍数。

测试结果：由测试数据画出系统的通频带图，如图5所示。

图5 通频带测试结果分析：从测试数据可以看出，电路的通频带为30kHz，且满足于带内波动不大于2dB.3、矩形系数测试仪器：信号发生器，示波器。

测试方法：仍采用逐点法。

即先调谐放大器的谐振回路使其谐振，就是调谐到15MHz，记下此时的输出电压U，计算出放大倍数，然后改变高频信号发生oU不变），并测出对应的输出电压，计算出放大倍器的频率（保持其输入电压i数。

测试结果分析：从测试数据可以看出，电路1.0BW 的频带宽度为1.4MHz ，根据矩形系数公式可求得7.43004.17.01.01.0===kMBW BW K 。

4衰减电路测试测试仪器：信号发生器，示波器。

测试方法：用函数发生器产生有效值为50mV ,15MHz 的正弦波信号, 通过示波器观察到输出电压信号的波形。

测试结果：五、总结本设计由衰减电路，LC 高频小信号谐振放大器及阻抗匹配等部分组成。

使用π型电阻网络衰减器，实现了实现较理想阻抗变换并完成了衰减量的要求。

高频谐振放大器采用由分立元件构成的两级放大，从而很好的实现了电压增益的要求，同时能改善了单级放大的矩形系数。

由于利用单调谐，大大减化了调谐难度，并使谐振频率固定在15MHz 。