一種高增益低功耗LC諧振放大器的設(shè)計(jì)

(懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 懷化 418000)

1 前言

隨著電子信息科學(xué)的發(fā)展，對(duì)通信系統(tǒng)提出更高的要求，如靈敏度高、性能穩(wěn)定、實(shí)用范圍廣.其中，高頻LC諧振放大器是通信設(shè)備中常用電路，廣泛應(yīng)用于廣播、電視、通信、測(cè)量?jī)x器等通信系統(tǒng)，特別是在無(wú)線發(fā)射設(shè)備中，為了保證信號(hào)有效地傳送到接收端，其發(fā)射機(jī)功率是有效傳輸?shù)年P(guān)鍵因素，利用諧振放大器可將信號(hào)放大至所需功率[1].LC諧振放大器可實(shí)現(xiàn)微弱的高頻信號(hào)不失真放大，且輸入信號(hào)頻譜與放大后輸出信號(hào)的頻譜一致.接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 接收系統(tǒng)方框圖

系統(tǒng)中，混頻后的信號(hào)非常小，故中頻放大器是一種小信號(hào)放大器，為使信號(hào)能正確解調(diào)，中頻放大器需有足夠大的放大倍數(shù)，同時(shí)良好的矩形系數(shù)可以得到更好的選頻效果和濾除雜波效果.為使中頻放大電路的工作范圍更加廣泛，采用AGC 電路，其性能也決定著信號(hào)的工作范圍，由此可知中頻放大器的選擇性、放大倍數(shù)與噪聲在很大程度上對(duì)于整個(gè)通訊電路的選擇性、靈敏度和頻率特性都起了決定性的作用[2].文中采用LC諧振放大器設(shè)計(jì)了一種中頻放大器.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架

圖2 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)由圖2所示的六個(gè)部分組成.其中，-40 dB的衰減器由電阻網(wǎng)絡(luò)搭建，它可以放大足夠小的信號(hào)，一般信號(hào)發(fā)生器無(wú)法輸出-80 dBm的信號(hào)，它是系統(tǒng)為測(cè)試電路的小信號(hào)放大能力而設(shè)計(jì)的.LC諧振放大電路由前、后端放大電路組成.前、后端放大電路均采用三級(jí)放大，構(gòu)成六級(jí)參差調(diào)諧放大電路.AGC 電路包含兩個(gè)部分，一部分是由電平檢測(cè)電路和濾波放大電路組成，另一部分為可控衰減電路.電平檢測(cè)電路負(fù)責(zé)采樣輸出信號(hào)的大小，并設(shè)定一定的門限值，當(dāng)超過(guò)門限值時(shí)開(kāi)始成比例地輸出直流電壓信號(hào).濾波放大電路對(duì)直流電壓信號(hào)進(jìn)行濾波和放大使之能驅(qū)動(dòng)可控衰減電路，可控衰減電路根據(jù)直流電壓的大小對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的衰減[3].

2.2 衰減器的設(shè)計(jì)

輸入輸出電阻均為50 Ω，且衰減要達(dá)到固定40 dBm，系統(tǒng)采用線性的、參數(shù)固定的衰減器.對(duì)于線性電路采用最多的是電阻網(wǎng)絡(luò)，要達(dá)到衰減的效果，可采用電阻分壓方式，如圖3所示.

圖3 衰減器1

對(duì)于圖3，只要選取合適的R1和R2就可以達(dá)到想要的衰減量，由衰減40 dB，得

設(shè)RL'為輸入阻抗，且要求RL'為50 Ω，則

聯(lián)立這兩個(gè)方程得到:R1=49.5 Ω，R2≈0.5 Ω.

這樣就滿足了輸入端的阻抗，再列上滿足輸出阻抗也為50 Ω的方程.但是從RL 往左端看，由于R2=0.5 Ω，那么輸出阻抗肯定小于0.5 Ω，這樣就不滿足輸出阻抗50 Ω的要求.從對(duì)稱設(shè)計(jì)的角度可以得到這個(gè)衰減器是一個(gè)對(duì)稱的衰減器，嘗試將電路往對(duì)稱的方向改，用最簡(jiǎn)單的方式，這里只需再加一個(gè)電阻就可實(shí)現(xiàn)這種對(duì)稱，按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)考慮，則有四個(gè)方案，圖4中a 圖、b 圖電路是偶對(duì)稱結(jié)構(gòu)，c 圖、d 圖電路是奇對(duì)稱結(jié)構(gòu).但c 圖、d 圖電路的輸出和輸入不共地，不符合要求.其中b 圖比a 圖更便于理論計(jì)算，因此本衰減器選用b 圖方式.

圖4 衰減器

根據(jù)基爾霍夫電壓定理，有

由于衰減40 dB，得:

輸入阻抗為50 Ω，得:

根據(jù)對(duì)稱性，得:

由以上4 式得R2=R3=51 Ω，R1=2.5 kΩ.

2.3 LC諧振放大電路設(shè)計(jì)

三極管的放大倍數(shù)一般為20 dB，而單級(jí)的增益過(guò)高易引起振蕩，且出于對(duì)矩形系數(shù)的考慮，需采用多級(jí)放大來(lái)達(dá)到放大倍數(shù)的要求[4].系統(tǒng)采用參差調(diào)諧的多級(jí)放大達(dá)到矩形系數(shù)的要求.多級(jí)參差調(diào)諧放大器，就是各級(jí)的調(diào)諧回路和調(diào)諧頻率都彼此不同.采用參差調(diào)諧放大器的目的是增加放大器總的帶寬，同時(shí)又得到邊沿較陡峭的頻率，以此來(lái)達(dá)到擴(kuò)展帶寬、提高矩形系數(shù)的目的[5].諧振放大器由圖6的前端放大電路和圖7的后端放大電路組成;LC諧振放大器各級(jí)電路的諧振點(diǎn)設(shè)置在中心頻率，可通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電容來(lái)稍作偏離實(shí)現(xiàn)參差調(diào)諧，中心頻率為

通過(guò)在高頻磁芯上繞線圈得到帶抽頭的電感，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定這里的L為500 nH，再選用諧振電容，根據(jù)式(7)，則有

選用50 pF的瓷片電容和20 pF的可調(diào)電容.

圖5 參差調(diào)諧

圖6 前端放大電路

圖7 后端放大電路

調(diào)試中，過(guò)高的Q值雖然會(huì)使得放大器的放大倍數(shù)提高，但容易發(fā)生振蕩，并且?guī)捯舱?，同時(shí)也不利于微調(diào).為了提高系統(tǒng)的矩形系數(shù)，系統(tǒng)采用6級(jí)放大，這樣就降低了每一級(jí)的放大倍數(shù)，使最終電路的等效Q值為50.

單級(jí)的Q值難以計(jì)算，只能定性判斷，在調(diào)試時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)諧振電路的并聯(lián)電阻來(lái)調(diào)節(jié)Q值.LC諧振放大器的第一級(jí)采用共基組態(tài)放大電路，以達(dá)到輸入電阻為50 Ω，同時(shí)又能放大電壓的目的，第二級(jí)到第五級(jí)都采用共射放大電路結(jié)構(gòu)，可以將各級(jí)的靜態(tài)工作逐漸升高，以保證功耗較低且能滿足逐級(jí)放大信號(hào)的需要，最后輸出級(jí)采用升壓輸出方式以達(dá)到足夠的輸出幅度.

2.4 AGC 電路

電平檢測(cè)電路和濾波放大電路，如圖8所示.3.6 V 升壓模塊提供8.5 V 供電，從第五級(jí)輸出端取樣，由RP3進(jìn)行取樣量調(diào)節(jié)后送入混頻器NE602，使信號(hào)與其自身進(jìn)行混頻，得到直流分量和諧波頻率，由C2和C9濾除諧波成分，再由TL082 放大直流信號(hào)后輸出，使輸出直流電平與取樣點(diǎn)的幅度成正比.

圖8 AGC1 電平檢測(cè)電路和濾波放大電路

可控衰減電路中采用MPN3404 型PIN 二極管，它作為高頻信號(hào)開(kāi)關(guān)使用，截止時(shí)，對(duì)高頻信號(hào)阻礙大，導(dǎo)通時(shí)，對(duì)高頻信號(hào)的阻礙小.利用該性質(zhì)設(shè)計(jì)一個(gè)可控的衰減器.

工作原理:Q3靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算:

圖9 AGC2可控衰減電路

假設(shè)放大器輸出的電平較低，AGC第二部輸出的控制信號(hào)就比較小，這時(shí)D4基本不導(dǎo)通，IB(Q2)過(guò)小致使IC(Q3)基本由IE(Q2)提供，這時(shí)由R8、L1、DG1、DG2、DG3、L2、Q1、Q3組成的直流通路的導(dǎo)通程度最大，由PIN 二極管的性質(zhì)知此時(shí)DG1、DG2、DG3的高頻阻抗很小，再由式(12)可知C3和C4 對(duì)15MHz的信號(hào)的阻抗很小.

在該狀況下信號(hào)幾乎可不衰減地通過(guò)可控衰減器，當(dāng)信號(hào)具有一定大小時(shí)，解調(diào)輸出直流電平大時(shí)，使得IB(Q2)增大，Q2的導(dǎo)通程度加大，由R8、DG4、R4、DG5、Q2、Q3組成的直流通路導(dǎo)通程度加大，Q1的導(dǎo)通程度的減小使得DG1、DG2、DG3的電流變小，對(duì)高頻的電阻加大，輸入信號(hào)由C3、C10、R3、DG4、C14到地，DG1輸出的信號(hào)由C7、DG4、C14到地，DG2輸出信號(hào)也可由C8、DG5、C12到地.這樣對(duì)信號(hào)就起到了衰減作用，并且這個(gè)衰減程度隨著輸出電平的加大而加大.

3 調(diào)試過(guò)程

在電路設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)定順時(shí)針調(diào)節(jié)可調(diào)電阻時(shí)為增大電路的參數(shù).為了調(diào)節(jié)諧振放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，將可調(diào)電阻設(shè)置在基極與地之間，當(dāng)可調(diào)電阻超調(diào)時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致因基極電壓過(guò)高而燒壞三極管.電路布局布線時(shí)，應(yīng)將可調(diào)元件放置在合適位置，方便調(diào)節(jié)，同時(shí)應(yīng)能方便斷開(kāi)引腳的連線，如不讓布線穿過(guò)引腳，而是從引腳上引線出來(lái).把可能需切斷的布線不要放置在元件下面，同時(shí)為了方便修改，布線也盡可能不經(jīng)過(guò)元件下方.注意適當(dāng)預(yù)留測(cè)試接線點(diǎn)，方便與示波器等儀器連接[6].

系統(tǒng)調(diào)試之前，首先檢查電源是否短路，在確保電源線路正常的前提下，進(jìn)行后續(xù)的調(diào)試工作.

(1)前端放大模塊的調(diào)試:首先調(diào)試前端放大模塊，調(diào)節(jié)每一級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)，使每一級(jí)的VBQ=1.2 V.在進(jìn)行電路焊接工作時(shí)，注意不要焊接級(jí)與級(jí)之間的信號(hào)耦合電容，引出當(dāng)前級(jí)的信號(hào)輸入端和輸出端，掃頻儀輸出端通過(guò)-40 dBm 衰減器后接入放大器輸入端，設(shè)定掃頻儀掃頻范圍為10 MHz-20 MHz、輸出電平為-50 dBm.觀察掃頻儀的顯示，調(diào)節(jié)可調(diào)電容，看波峰是否有變化，再調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)，看放大倍數(shù)是否有變化，如果放大20 dB，那么掃頻儀顯示出來(lái)的波形在-3 dB 處的電平應(yīng)該是-50+(-40)+20 =-70 dBm.這些都正常后，將各級(jí)的放大倍數(shù)調(diào)節(jié)為15 dB 左右.參差調(diào)諧就是使每一級(jí)的中心頻率不一樣，這樣先粗略地分配一下各級(jí)的中心頻率，第一級(jí)14.8 MHz 左右，第二級(jí)15 MHz，第三極15.2 MHz，帶寬暫不考慮.各級(jí)都調(diào)試好后再焊接耦合電容進(jìn)行三級(jí)聯(lián)調(diào)，波形應(yīng)該有三個(gè)波峰，再將帶寬調(diào)至500 kHz 左右.

(2)后端放大模塊調(diào)試與前端放大模塊調(diào)試思路一致，區(qū)別在于掃頻儀的輸出電平為-10 dBm，諧振點(diǎn)第四級(jí)14.5 MHz、第五級(jí)15 MHz、第六級(jí)15.5 MHz.

(3)前、后端放大模塊聯(lián)調(diào):首先查看波形的波峰位置是否合適，如不合適，調(diào)節(jié)可調(diào)電容來(lái)找到本級(jí)放大對(duì)應(yīng)的波峰，然后調(diào)節(jié)到分配的諧振點(diǎn)[7].當(dāng)波形基本正確后，通過(guò)調(diào)節(jié)諧振點(diǎn)和靜態(tài)工作點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)增益，一般靜態(tài)工作點(diǎn)提高后增益也會(huì)提高，但是噪聲和自激的可能性也會(huì)增加，當(dāng)然功耗也會(huì)增加.首先設(shè)法通過(guò)微調(diào)諧振點(diǎn)來(lái)達(dá)到增益的要求，如不能再嘗試調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn).掃頻儀輸出的電平是-50 dBm，經(jīng)過(guò)-40 dB的衰減器后電平衰減至-90 dBm，如果增益達(dá)到80 dB，掃頻儀上的曲線在-3 dB 處的電平將達(dá)到-10 dBm，因?yàn)檩敵黾?jí)的電平有限，所以調(diào)節(jié)增益時(shí)注意不要使曲線超過(guò)-5 dBm.在調(diào)節(jié)增益的同時(shí)也注意帶寬和中心頻率的調(diào)節(jié)，反復(fù)調(diào)節(jié)直到帶寬、增益、中心頻率都達(dá)到要求.接下來(lái)放大器輸出接200 Ω的負(fù)載，使用帶鱷魚(yú)夾的同軸電纜接入示波器，查看是否自激，如有自激就還得再微調(diào)，不自激后，最后測(cè)試輸出能否達(dá)到1 Vrms，再檢查放大倍數(shù)、中心頻率、帶寬是否合適，這樣的調(diào)試一般要反復(fù)好幾次才能達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo).

調(diào)試可控衰減電路，首先檢測(cè)靜態(tài)工作點(diǎn)，靜態(tài)點(diǎn)的電流量通過(guò)測(cè)電阻的電壓來(lái)計(jì)算[8]，圖7中測(cè)量R17的電壓即可得到IC(Q3)，通過(guò)該量判斷是否達(dá)到了設(shè)計(jì)的靜態(tài)工作點(diǎn)，靜態(tài)工作點(diǎn)正常后，接上給定控制信號(hào)后測(cè)試電路的兩條直流通路的工作情況是否和原理中一致，正常后再在AGC 輸入端加信號(hào)，測(cè)試其對(duì)信號(hào)是否能衰減，衰減程度能否隨控制信號(hào)的變化而變化.調(diào)試電平檢測(cè)電路和濾波放大電路時(shí)，用信號(hào)發(fā)生器給AGC 提供取樣信號(hào)，改變信號(hào)的大小看AGC 輸出的控制電平是否有變化，值是否合適，輸出值不變就順著信號(hào)鏈路下查，直至合適后，聯(lián)調(diào)整個(gè)AGC，調(diào)試過(guò)程中需注意給定合適電平.

4 測(cè)試

4.1 測(cè)試方法

設(shè)掃頻儀輸入、輸出阻抗為50 Ω，掃頻儀輸出模式設(shè)定成掃頻模式，掃頻范圍為12.5～17.5 MHz，掃頻儀的輸出端接衰減器的輸入端，衰減器的輸出端接掃頻儀的輸入端，觀察掃頻儀顯示屏上曲線的平均dBm值.這個(gè)平均值減掉掃頻儀輸出電平值得到就是衰減器的衰減量.可以看到整個(gè)頻率范圍內(nèi)，曲線都比較均勻，說(shuō)明電阻的線性比較好[9].按下表設(shè)定不同的輸出電平，記錄得到的曲線平均電平值，并計(jì)算得到衰減量.

由以上數(shù)據(jù)分析可知，衰減器的衰減量穩(wěn)定在40±2 dB 內(nèi)，平均值為40.1 dB，符合要求，若使用精密電阻，衰減量會(huì)更加準(zhǔn)確.

4.2 測(cè)試結(jié)果和分析

硬件系統(tǒng)搭建后，對(duì)系統(tǒng)各功能進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示.

表1 LC 諧振放大器指標(biāo)測(cè)試表

從表1可知:除了矩形系數(shù)可進(jìn)一步減小之外，其它要求均能達(dá)到.矩形系數(shù)可采用吸收回路法和雙回路法陶瓷專用濾波器等來(lái)進(jìn)一步減小.

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的LC諧振放大器充分考慮了電路的成本與傳輸效率，MOS 管的使用，使電路的功耗大大降低，同時(shí)提高電路的傳輸效率，采用常用分立元件實(shí)現(xiàn)高精度，取得了良好的效果，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，該LC諧振放大器的指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

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