大学生电子设计竞赛LC振荡器模板

1题目要求

1．任务
设计并制作一个LC谐振放大器。

2．要求
设计并制作一个低压、低功耗LC谐振放大器;为便于测试,在放大器输入端插入一个40dB固定衰减器。

图1.1电路框图
2.1 基础要求
（1）衰减器指标:衰减量40±2dB,特征阻抗50Ω,频带和放大器相适应。

（2）放大器指标:

b）增益:大于60dB;c）?3dB带宽:2Δf0.7=300kHz; 带内波动小于2dB;
d）输入电阻:Rin=50Ω;
e）失真:负载电阻为200Ω,输出电压1V时,波形无显著失真。

（3）放大器使用3.6V稳压电源供电（电源自备）。最大不许可超出360mW,尽可能减小功耗。

2.2 发挥部分
（1）在-3dB带宽不变条件下,提升放大器增益到大于等于80dB。

（2）在最大增益情况下,尽可能减小矩形系数Kr0.1。

（3）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）。

（4）其它。

2系统方案

2.1系统方案和比较

2.1.1衰减器电路部分
方案一:采取T型衰减器

图2.1 T型衰减器
图2.1所表示电路能够在不改变等效电阻前提下实现对信号电压衰减,图中增加两个电阻能够保持等效电阻不变,所以此网络被称为T型网络电路。

方案二:采取π型衰减器

图2.2π型衰减器公式为:

图2.2所表示电路为π型网络电路。它和T型网络电路一样能够实现信号衰减并保持输入阻抗不变。

假设衰减为40dB,输入输出阻抗为50Ω时,T型衰减器中R≈51Ω,R1≈1Ω,而π型衰减器中R≈51Ω,R1≈2.5kΩ。因为受引线和焊点影响,阻值过小,极难确保其精度,从而影响衰减正确度。所以,当要求衰减较大时用π型衰减器较适宜。

2.1.1调谐放大电路部分
方案一:两级共射级放大电路和一级调谐电路,单调谐放大电路,电路简单但矩形系数仅为9、96。

方案二:两级共射级放大电路和参差调谐电路,参差调谐放大电路,矩形系数能达成3-5,但电路复杂调试困难,所以我们选择方案一。

2.1.2可控增益电路部分
方案一:采取控制电压和增益成线性关系可编程增益放大器PGA。可控增益放大器（如AD603）内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器组成,加在其梯型网络输入端信号经衰减后,由固定增益放大器输出,衰减量是由加在增益控制接口参考电压决定;而这个参考电压可经过控制器进行运算并控制D/A芯片输出控制电压得到,从而实现较正确数控。 方案二:采取分立元件使输出电压经过二极管检波电路和低通电路转换为直流电压,但因功耗较大,且无法在3.6V单电源供电下正常工作,所以不选择此方案。

用单片机进行采集,并经过DA输出直流电压至放大电路工作点调整处,经过此反馈实时调整放大电路工作点从而实现AGC功效。所以方案选择全部是分立元件,故可在低电压情

况下稳定工作,所以选择此方案。

2.2系统总体组成

本系统设计包含四大部分:衰减器、共射级放大电路、选频放大电路、可控增益电路部分等系统组成,总体结构方框图图2.3所表示。信号源输出5mV交流信号,经衰减器输出进入两级放大,再经两级调谐放大器后输出给200Ω负载,AGC电路是在负载输出端采集电压再经过二极管检波电路,后经单片机采集再经过DA输出接至共射级放大电路工作点调整处。

信号源

衰减器

放大器Ⅰ

放大器Ⅱ

谐振放大器

100:1

+5V
路

图2.3系统总体结构方框图

3理论分析和计算

3.1阻抗匹配

信号传输过程中负载阻抗和信源内阻抗之间特定配合关系。电路间多级串联前级输出阻抗和后级输入阻抗之间所应满足某种关系,以免接上串联后对电路本身工作状态产生显著影响。

本系统要求衰减器特征阻抗50Ω,放大器输入阻抗为50Ω,本系统经过在输入端并联50Ω电阻实现了阻抗匹配。

本题目标基础要求放大倍数为60dB,一级放大不能达成这么大放大倍数,所以需要多3.2增益分配

级放大器组合完成。多级放大器为了避免放大器自激就需要考虑增益分配问题。 依据共射级放大电路电压放大倍数定义:
Au=Uo/Ui
在共射级放大器中

在负载电阻一定下,选择晶体管是决定放大倍数关键原因。在LC谐振放大器中

图3.1谐振等效电路图其中P1为晶体管集电极接入系数,即

式中,N2为电感L线圈总匝数:P2为输出变压器副边和原边匝数比,即

式中N3为副边总匝数。

3.3选择性
谐振放大器选择性可用谐振曲线矩形系数来表示

带内波动小于2dB;在最大增益情况下,尽可能减小矩形系数Kr0.1。
本题目要求谐振频率:f0=15MHz;许可偏差±100kHz;?3dB带宽:2Δf0.7=300kHz;

9.96,参差调谐小于此值,约3-5。 矩形系数越靠近1,临近波道选择性越好,滤除干扰信号能力越强。单调谐K值等于

所以本系统选择一级放大加调谐放大器组成,
谐振回路带宽为

谐振回路谐振时所对应中心频率表示式为

品质因数,其表示式为:;

矩形系数

经过公式能够看出要想提升谐振回路选择性,就需要提升谐振放大器中心频率。

本系统将使用控制放大器工作点方法来实现AGC功效。

AGC有两种控制方法:一个是利用增加AGC电压方法来减小增益方法叫正向AGC,一个是利用减小AGC电压方法来减小增益方法叫反向AGC.正向AGC控制能力强,所需控制功率大被控放大级工作点变动范围大,放大器两端阻抗改变也大;反向AGC所需控制功率小,控制范围也小。因本系统要求低功耗,所以本系统将应用反向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

题目要求放大器部分单电源3.6V供电且功耗不能超出360mW,所以本系统将使用低功耗电路结构和元器件,以降低系统功耗。

4电路设计

衰减器选择π型电阻网络进行衰减,图4.14.1衰减器电路设计

图4.1衰减电路此电路实现了40dB衰减,同时特征阻抗为50Ω。

4.2共射级放大电路设计

两级共射放大电路增益共40dB,电路图4.2

图4.2共射级放大电路

4.3选频放大电路设计

频率为15.1MHz,两级调谐放大增益为20dB,中心频率为15MHz,3dB带宽为2MHz。电路 两级选频放大电路组成参差调谐放大电路,第一级中心频率为14.9MHz,第二级中心
图4.3。

图4.3选频放大电路

4.6最大不失真产生电压及功耗

最大不失真输出电压能达成1.2V
P功耗=VCC*I0=278mW
5测试方法和测试结果

5.1测试用仪器名称和型号

示波器:RIGOL DS-1152D-EDU 高频信号发生器:SP1461数字合成高频标准信号发生器

数字万用表:VICTOR VC97

5.2测试方法及结果

5.2.1衰减器测试:
将信号源输出接至衰减器输入,用示波器观察衰减器输出统计衰减器衰减情况如表5.1 表5.1

输入信号	输出信号
1.0V	9.87mV
150mV	1.34 mV

5.2.2放大器测试:
将信号源输出接至衰减器输入,用示波器观察200Ω负载输出端。信号源输入有效值5mV正弦波,频率从10MHz以步进10KHz增加到20MHz,观察示波器波形统计下来谐振中心频率、输出最大幅值、-3dB带宽和-7dB带宽并计算矩形系数。统计结果如表5.2、

表5.3、表5.4。

表5.2

中心频率

14.9MHz

表5.3

-3dB带宽	-7dB带宽
7 MHz	37.6MHz

表5.4

矩形系数

7

5.2.3AGC电路测试:

能使输出电压控制在700mV

6结论

本系统基础达成了题目标要求,因为电路用分立元件搭建,所以参数由一定误差。