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。

1.2 LC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:

2.2 AGC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 40 dB

AGC 控制范围为 20log (V omin/V imin -20log(V omax/V imax (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 ≈ 1uF f0=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(AGC PCB 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

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/31kt.html