LC諧振放大器的設(shè)計

黃相杰，林佳才

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 廣東 珠海 519085）

小信號調(diào)諧放大器是高頻電子線路中的基本單元電路，主要用于高頻小信號或微弱信號的線性放大。

1）高頻小功率晶體管與LC并聯(lián)諧振回路

高頻小信號放大電路中采用的高頻小功率晶體管與常用電路低頻小功率晶體管的主要區(qū)別是工作截止頻率不同。低頻晶體管只能工作在3 MHz以下的頻率，而高頻晶體管可以工作在幾十到幾百兆赫茲，甚至可達(dá)幾千兆赫茲的頻率上，其噪聲系數(shù)為幾個分貝。高頻小功率晶體管與低頻小功率晶體管都是工作在甲類工作狀態(tài)，起電流放大作用。

在接收機(jī)的各級高頻小信號放大器中，利用LC并聯(lián)諧振回路的選頻作用，對諧振點(diǎn)頻率的電流信號呈現(xiàn)較大的阻抗，而且是純電阻性的，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，而對失諧點(diǎn)頻率的電流信號呈現(xiàn)很小的阻抗，抑制失諧點(diǎn)頻率電流信號的輸出，起到選擇出所需接收的信號，抑制無用的信號和干擾的目的。

2）小信號諧振放大器的分類

按調(diào)諧回路劃分：單調(diào)諧回路放大器、雙調(diào)諧回路放大器和參差調(diào)諧回路放大器。

按所用器件劃分：晶體管放大器、場效應(yīng)管放大器和集成電路放大器。

按器件連接方式劃分：共基、共射與共集電極放大器或共源、共漏與共柵極放大器。

1 總體方案設(shè)計

圖1為高頻小信號放大電路的總體設(shè)計框圖。

1）衰減器：

分立元件自搭的衰減器。

例如π型和T型網(wǎng)絡(luò)，精度不高，但衰減效果不錯，性價比高。

2）諧振放大電路：

方案一：單調(diào)諧回路放大器。結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，但矩形系數(shù)大，選擇性較差。

方案二：雙調(diào)諧回路放大器。選擇性好，頻帶較寬，有效解決單調(diào)諧回路諧振放大器的增益與通頻帶之間的矛盾，但調(diào)試復(fù)雜。

據(jù)題目要求增益很高，綜上所述，選擇方案一。

3）穩(wěn)壓電源：

現(xiàn)成的直流穩(wěn)壓源，穩(wěn)定性好，短路保護(hù)過流保護(hù)措施完善。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall system block diagram

A是5 mV的正弦波信號輸入，產(chǎn)生于高頻信號發(fā)生器，5 mV的信號經(jīng)過40 dB的衰減器之后進(jìn)入諧振放大器，最后輸出信號Vo在1 V以上。

2 單元模塊設(shè)計

2.1 40 dB衰減器設(shè)計

衰減器是在指定的頻率范圍內(nèi)，一種用以引入一預(yù)定衰減的電路。一般以所引入衰減的分貝數(shù)及其特性阻抗的歐姆數(shù)來標(biāo)明。

衰減器有無源衰減器和有源衰減器兩種。有源衰減器與其他熱敏元件相配合組成可變衰減器，裝置在放大器內(nèi)用于自動增益或斜率控制電路中。無源衰減器有固定衰減器和可調(diào)衰減器。無源衰減網(wǎng)絡(luò)有T型網(wǎng)絡(luò)圖2（a）和π型網(wǎng)絡(luò)圖2（b）。

圖2 無源衰減網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Passive attenuation network

系統(tǒng)的要求特性阻抗為50 Ω，運(yùn)用簡單的衰減器計算器很容易得到參數(shù)，設(shè)計一個π型網(wǎng)絡(luò)。

2.2 諧振放大器設(shè)計

2.2.1 諧振放大器原理

圖3所示電路為共發(fā)射極接法的晶體管高頻小信號調(diào)諧放大器。它不僅要放大高頻信號，而且還要有一定的選頻作用，因此晶體管的集電極負(fù)載為LC并聯(lián)諧振回路。在高頻情況下，晶體管本身的極間電容及連接導(dǎo)線的分布參數(shù)等會影響放大器輸出信號的頻率和相位。晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)由電阻RB1，RB2及RE決定，其計算方法與低頻單管放大器相同。

圖3 小信號調(diào)諧放大器Fig.3 Small-signal amplifier

放大器在高頻情況下的等效電路如圖4所示，晶體管的4 個 y 參數(shù) yie，yoe，yfe及 yre分別為

式中，gm——晶體管的跨導(dǎo)，與發(fā)射極電流的關(guān)系為

gb′e——發(fā)射結(jié)電導(dǎo)，與晶體管的電流放大系數(shù)β及IE有關(guān)，

rb′b——基極體電阻，一般為幾十歐姆；

Cb′c——集電極電容，一般為幾皮法；

Cb′e——發(fā)射結(jié)電容，一般為幾十皮法至幾百皮法。

由此可見，晶體管在高頻情況下的分布參數(shù)除了與靜態(tài)工作電流IE，電流放大系數(shù)β有關(guān)外，還與工作頻率ω有關(guān)。晶體管手冊中給出的分布參數(shù)一般是在測試條件一定的情況下測得的。如在f0=30 MHz，IE=2 mA，UCE=8 V條件下測得晶體管的y參數(shù)為：

如果工作條件發(fā)生變化，上述參數(shù)則有所變動。因此，高頻電路的設(shè)計采用工程估算的方法。圖4中所示的等效電路中，p1為晶體管的集電極接入系數(shù)。

圖4 放大器的高頻等效回路Fig.4 High-frequency equivalent circuit

即P1=N1/N2，式中，N1為中間抽頭繞線匝數(shù)。N2為初級級線圈的總匝數(shù)。P2為輸出變壓器T的副邊與原邊的匝數(shù)比，即 P2=N3/N2，式中，N3為副邊（次級）的總匝數(shù)。

gL為調(diào)諧放大器輸出負(fù)載的電導(dǎo)，gL=1/RL。通常小信號調(diào)諧放大器的下一級仍為晶體管調(diào)諧放大器，則gL將是下一級晶體管的輸入導(dǎo)納gie2。由圖4可見，并聯(lián)諧振回路的總電導(dǎo)g∑的表達(dá)式為

式中，G為LC回路本身的損耗電導(dǎo)。諧振時L和C的并聯(lián)回路呈純阻，其阻值等于1/G，并聯(lián)諧振電抗為無限大，則jwC與 1/（jwL）的影響可以忽略。

表征高頻小信號調(diào)諧放大器的主要性能指標(biāo)有諧振頻率f0，諧振電壓放大倍數(shù)Av0，放大器的通頻帶BW及選擇性（通常用矩形系數(shù)Kr0.1來表示）等。

放大器各項性能指標(biāo)及測量方法如下：

2.2.2 諧振頻率

放大器的調(diào)諧回路諧振時所對應(yīng)的頻率f0 稱為放大器的諧振頻率，f0的表達(dá)式為

式中，L為調(diào)諧回路電感線圈的電感量；CΣ為調(diào)諧回路的總電容，CΣ的表達(dá)式為

式中，Coe為晶體管的輸出電容；Cie為晶體管的輸入電容。

2.2.3 電壓放大倍數(shù)

放大器的諧振回路諧振時，所對應(yīng)的電壓放大倍數(shù)AV0稱為調(diào)諧放大器的電壓放大倍數(shù)。AV0的表達(dá)式為

式中，gΣ為諧振回路諧振時的總電導(dǎo)。

2.2.4 通頻帶

由于諧振回路的選頻作用，當(dāng)工作頻率偏離諧振頻率時，放大器的電壓放大倍數(shù)下降，習(xí)慣上稱電壓放大倍數(shù)AV下降到諧振電壓放大倍數(shù)AV0的0.707倍時所對應(yīng)的頻率偏移稱為放大器的通頻帶BW，其表達(dá)式為

式中，QL為諧振回路的有載品質(zhì)因數(shù)。

分析表明，放大器的諧振電壓放大倍數(shù)AV0與通頻帶BW的關(guān)系為

上式說明，當(dāng)晶體管選定即yfe確定，且回路總電容CΣ為定值時，諧振電壓放大

2.2.5 選擇性——矩形系數(shù)

調(diào)諧放大器的選擇性可用諧振曲線的矩形系數(shù)Kv0.1時來表示，如圖5所示的諧振曲線，矩形系數(shù)Kv0.1為電壓放大倍數(shù)下降到0.1 AV0時對應(yīng)的頻率偏移與電壓放大倍數(shù)下降到0.707 AV0時對應(yīng)的頻率偏移之比，即

圖5 諧振曲線Fig.5 Resonance curve

圖6 系統(tǒng)電路設(shè)計Fig.6 System circuit design

3 測試結(jié)果

1）衰減器測試結(jié)果：輸入信號14.14 mV 輸出信號0.138 mV特性阻抗50 Ω衰減量40.172 dB。

2）諧振頻率 fo=15.04 MHz。

3）功耗：由直流穩(wěn)壓源讀數(shù)可得，系統(tǒng)的功耗為W=3.6×35=126 mW。

4）-3 dB 帶寬：15.20 MHz-14.95 MHz=150 kHz

5）2Δf0.7（通頻帶）：15.20 MHz-14.95 MHz=150 kHz

2Δf0.1：14.420 5 MHz—15.659 5 MHz=7.687 MHz

矩形系數(shù) Kr0.1==2Δf0.1/2Δf0.7=7.93

6）電壓增益：數(shù)據(jù)如表所示，電壓增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于題目的基礎(chǔ)要求60 dB。

設(shè)計出現(xiàn)過的問題：1）總的電壓增益遠(yuǎn)不等于各級增益相加之和；2）輸出波形干擾較大。

原因分析：1）級間耦合阻抗匹配不合適，級間的功率消耗大；2）各級諧振點(diǎn)不完全一致；3）使用外置穩(wěn)壓源帶來的外部很大；4）空氣的少量電磁波對頻率較高的信號有干擾。

表1 增益測試數(shù)據(jù)表Tab.1 Gain test data table

解決方法：1）電容耦合變?yōu)樽儔浩黢詈?；微調(diào)LC，改變其諧振頻率，輸出電壓增益有所改善。2）外加一個屏蔽盒罩在電路板上，改用鋰電池對系統(tǒng)供電，效果不錯，對干擾有很多的抑制。

4 結(jié) 論

系統(tǒng)經(jīng)高頻信號發(fā)生器和示波器測試，當(dāng)輸入信號為15 MHz時，改變輸入信號幅度，輸出電壓可達(dá)1Vrms以上而無明顯的波形失真，此時系統(tǒng)功耗小于130 mW.分析諧振曲線知，系統(tǒng)帶寬150 kHz，矩形系數(shù)達(dá)7.93。系統(tǒng)采用分立元件進(jìn)行多級諧振放大，加入AGC反饋電路，具有放大、濾波、選頻、自動校正功能，表明系統(tǒng)具有低功耗、高增益、較好的穩(wěn)定性和選擇性。

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