2011-D题-LC谐振放大器获奖作品分析

南华大学黄智伟2011年D题LC谐振放大器获奖作品分析1.赛题要求1.1设计任务与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，在放大器的输入端插入一个40dB固定衰减器。电路框图见图1。图1.1.1电路框图1.1.1基本要求（1）衰减器指标：衰减量40±2dB，特性阻抗50Ω，频带与放大器相适应。（2）放大器指标：a）谐振频率：f0=15MHz；允许偏差±100kHz；b）增益：不小于60dB；c）−3dB带宽：2Δf0.7=300kHz；带内波动不大于2dB；d）输入电阻：Rin=50Ω；e）失真：负载电阻为200Ω，输出电压1V时，波形无明显失真。（3）放大器使用3.6V稳压电源供电（电源自备）。最大不允许超过360mW，尽可能减小功耗。1.1.2发挥部分（1）在-3dB带宽不变条件下，提高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）其他。1.2说明（1）图1.2.1是LC谐振放大器的典型特性曲线，图1.2.1谐振放大器典型幅频特性示意图（2）放大器幅频特性应在衰减器输入端信号小于5mV时测试（这时谐振放大器的输入Vi50μV）。所有项目均在放大器输出接200Ω负载电阻条件下测量。（3）功耗的测试：应在输出电压为1V时测量。（4）文中所有电压值均为有效值。1.3评分标准12.电路设计根据赛题要求，需要设计制作衰减器电路、谐振放大器电路和AGC控制电路。2.1衰减器电路设计赛题要求衰减器的衰减量40±2dB，特性阻抗50Ω，频带与放大器相适应。衰减器可以采用有源器件和无源元件实现。利用有源元件实现，可以采用压控增益放大器芯片（例如VCA810等），实现固定增益衰减。通过设定合适的控制电压，可以使压控增益放大器工作在固定衰减40dB的模式。但是使用压控增益放大器芯片需要考虑电源供电、外围控制调节电路设计等问题，这无疑会增整个系统的电路的功耗，以及复杂性和不稳定性。采用数控衰减器能够在大动态范围内完成精确衰减。与外围电路配合，可以使用简单控制方式，实现数控衰减。但是，由于是集成芯片，在一定程度上也会增加系统的功耗，而且成本高，竞赛时采购合适的数控衰减器器件也有困难。利用无源元件实现。即利用电阻衰减网络对信号衰减。这种方案简单易行，很适合对信号进行固定衰减，但对电阻阻值的准确性有较高要求。电阻衰减网络有桥式、T型、π型等结构形式。采用桥式网络衰减器。其特点是输入阻抗与输出阻抗的阻值一致，衰减能力强。但缺点是电阻使用数量多，调试困难。并且电阻阻值小，在不使用高精密电阻时误差相对较大。采用T型网络衰减器。其输入阻抗与输出阻抗可以随意改变，更容易进行匹配，电阻使用数量少，容易调试。但缺点也是电阻阻值小，在不使用高精密电阻时误差相对较大。采用π型网络衰减器。其输入阻抗与输出阻抗也可以随意改变，更容易进行匹配，电阻使用数量少，容易调试。同时电阻阻值适中，容易进行测试。π型电阻网络利用电阻分压原理，由若干分立的电阻搭建而成。电阻组成的衰减网络无须控制、频带宽、输入输出阻抗稳定，工作频率宽，动态范围大，并且价格低廉。衰减器的增益误差由电阻的精度决定。获奖作品多选择此方案。（1）π型电阻衰减网络设计例1（全国大学生电子设计竞赛2011年D题一等奖作品，解放军信息工程大学，张战韬，张东升，谢炜）衰减网络的输入阻抗Rin、输出阻抗Rout均为50Ω，与前后电路匹配。衰减器A＝40dB，由设计公式计算元件参数：Rs可以采用2.7kΩ与3.3kΩ电阻并联得到。2图2.1.1π型电阻衰减网络设计例1（2）π型电阻衰减网络设计例2（全国大学生电子设计竞赛2011年D题一等奖作品，国防科技大学，王伟，宋晓骥，王建）π型电阻衰减网络设计例2电路如图2.1.2所示。图2.1.2π型电阻衰减网络设计例22.2LC谐振放大器电路设计赛题要求放大器的谐振频率f0=15MHz，允许偏差±100kHz；−3dB带宽2Δf0.7=300kHz，带内波动不大于2dB；增益大于等于80dB；输入电阻Rin=50Ω；负载电阻为200Ω，输出电压1V时，波形无明显失真。放大器使用3.6V稳压电源供电，最大不允许超过360mW。2.2.1有源器件选择LC谐振放大器由有源器件和LC谐振回路组成。有源器件可以选择高频三极管、高频场效应管和RFIC。选择高频三极管进行谐振放大电路简单、噪声较小。但是稳定性较差，增益控制比较复杂。选择RFIC，体积小，外部接线及焊点少，使电路的稳定性得以提高，且多数具备AGC功能。但是大多数该类芯片工作电压大于3.6V，并且由于时间紧张，符合题目要求的芯片较难找到。选择高频场效应管。例如，高频双栅场效应管BF909R具备高跨导、高输入阻抗、低反馈电容、低失真、偏置电路简洁等优点，并且容易进行增益控制，能够在一定程度上提高调谐放大器的稳定性。选择有源器件需要综合考虑稳定性、功耗、AGC的实现、以及器件来源等因素。2.2.2调谐方式选择由于赛题要求增益为80dB，采用单级或者两级放大器很难完成系统指标，且单级增益太大影响系统稳定性，因此考虑使用多级放大。如何实现指标要求的LC谐振特性是谐振放大器设计的关键，调谐方式有以下三种选择。方案一：选择多级单调谐放大器。采用LC单调谐回路谐振放大器多级级联的形式。多级单调谐放大器各级谐振频率相同，随着级联级数的增加，带宽减小，但是在级联两级以上后矩形系数改变较小。这种电路的优点是，电感电容较少、电路调整简单、增益较大，较容易实现80dB的增益。其缺点是，通频带较窄、矩形系数过大并且选择性较差。方案二：选择多级双调谐放大器。采用LC双调谐回路谐振放大器的多级级联形式。多级双调谐放大器各级采用相同的双回路，随着级联数的增加，矩形系数明显改善，带宽减小程度比单调谐放大器要小，但是使用的回路元件多，调谐过程也比较复杂。这种电路的优点是，频带宽、选择性好、频率响应在通频带内较为平坦、频带边缘上有较为陡峭的截止特性。缺点是，强耦合时通频带显著加宽，通频带加宽虽然有利于矩形系数的提高，但会带来谐振曲线顶部的凹陷以及造成通频带内波动增大。通过实验发现，双调谐放大器电路通频带过宽，在500～600kHz范围之间，超出了题目300kHz3的要求。方案三：选择混合调谐放大器。采用单调谐与三调谐组合的方式，能够在通频带为300kHz的同时得到较低的矩形系数，且相对于多级双调谐调试难度降低。考虑赛题要求和设计制作等综合因素，可以选择该方案。采用LC谐振放大器多级单调谐回路和LC谐振陷波器组合的形式。这种电路的优点是，由单调谐电路得到比较平坦的通频带，再在调谐放大中心频率两侧设置2个LC陷波器，陷波的作用使得谐振曲线的过渡带具有陡峭的截止特性，通过实验，可有效保证通频带指标要求的300kHz。考虑赛题要求和设计制作等综合因素，可以选择该方案。2.2.3谐振放大电路设计（1）谐振放大电路设计例1（全国大学生电子设计竞赛2011年D题一等奖作品，解放军信息工程大学，张战韬，张东升，谢炜）谐振放大电路设计例1方框图如图2.2.1所示。谐谐振放大电路设计例1采用五级放大器电路组成。谐谐振放大电路采用三级单调谐谐振放大电路和两级多调谐谐振放大电路混合组成。输入的小信号经过一个固定衰减40dB的π型电阻衰减网络后，通过由双栅场效应管BF909R及LC谐振网络（并联电容与中频变压器）搭建的五级混合调谐谐振放大电路，总体增益为85dB，通过调整各级工作点和LC谐振网络的具体参数使得谐振频率为15MHz，-3dB带宽为300kHz，矩形系数为1.9。输出信号经过检波、信号放大、反向差动运算后作用于各级双栅场效应管的G2栅极，进行自动增益控制，可控增益范围为50dB。在不考虑各级间耦合损耗的情况下，总体增益为各级放大器增益之和（dB）。级联后的放大器总增益为：本方案采用混合调谐谐振放大器，其中三级为单调谐放大器，两级为三调谐谐振放大器。在保证谐振回路器件口值的条件下，矩形系数可参照多级双调谐放大器的带宽与矩形系数（见表2.2.1）。表2.2.1多级双调谐放大器的带宽与矩形系数本方案在三级单调谐与两级多调谐的情况下，矩形系数为1.9。图2.2.1谐谐振放大电路设计例1方框图采用双栅场效应管BF909R与中周设计制作的单调谐谐振放大电路如图2.2.2所示。信号通过BF909R的G1栅极输入，电位器Rs调节G1的直流偏置，改变单级增益。G2外接AGC控制信号。信号经场效应管放大后通过漏极部分接入到LC谐振回路，通过变压器方式耦合至4下一级。图2.2.2单调谐谐振放大电路多调谐谐振放大电路采用三个LC谐振回路如图2.2.3所示。在单调谐谐振电路的基础上，信号输出经电容与后两级LC谐振回路耦合。明显改善了放大器的选择性，增加通频带，有效降低了矩形系数，较好地解决了带宽与选择性的矛盾。图2.2.3多调谐谐振放大电路（2）谐振放大电路设计例2（全国大学生电子设计竞赛2011年D题一等奖作品，哈尔滨工程大学，戎慧，郑浩东，潘德敏）谐振放大电路设计例2方框图如图2.2.4所示。采用π型衰减网络对输入信号进行衰减，然后将小信号通过低噪前置器和晶体管放大器电路再放大，通过自动增益控制（AGC）电路，最后进行LC双调谐网络选频和后级单管放大输出。图2.2.4谐谐振放大电路设计例2方框图系统增益分配如下：衰减器增益为-40dB，前置低噪放大器电路增益为17dB，中间两级晶体三5极管放大器电路增益为45dB，后级晶体管放大器电路增益为17dB，后级阻抗匹配晶体三极管增益为9dB。其中放大器总增益为88dB。带宽是指信号幅度衰减-3dB时所对应频率之差的绝对值，它跟各级放大器的通频带有关，而各级的通频带又与本级谐振回路的品质因数有关。多级放大器的总通频带与每级放大器的通频带有着密切的关系，例如m级相同的放大器级联时，总通频带可见多级单调谐放大器的总通频带比单级放大器的通频带要窄，级数越多总通频带越窄。因此在选取每一级放大器的通频带时，要根据级数的多少选取每一级通频带的宽度，单级放大器的通频带一定比总通频带要宽。矩形系数是表征放大器选择性好坏的一个参量。它的值用-20dB带宽与-3dB带宽的比值来表示，即。本系统通过四级通频带较宽的单调谐放大器进行放大，以确保满足最大电压增益的要求，在放大器后增加高Q的双调谐选频网络来调整放大器的总通频带满足300kHz的要求。单调谐的矩形系数为，参数相同的多级单调谐放大器的总矩形系数为，可见级数越多，矩形系数越小。而单级双、放大器的矩形系数，采用四级单调谐和一级双调谐组成放大系统以确保总矩形系数达到最小。采用MAX2650低噪声放大器芯片构成的前置放大电路如图2.2.5所示。MAX2650有DC到微波范围的带宽，增益固定（18.3dB），噪声系数为3.9dB，输入输出阻抗均为标准的50Ω，外围不需要再另行做阻抗匹配，避免了外加组件所引入的噪声和信号衰减，进一步降低了调试的难度。另外，在MAX2650的输出端加上15MHzLC谐振滤波后，输出信号噪声也被大部分滤掉，提升了系统的信噪比。由芯片数据手册得知，该芯片供电电压在4.5~5.5V范围内，但由于实际电压限制，经测试，该芯片在3.6V供电时，仍能正常工作。该芯片对电源的纹波要求较高，纹波要尽可能的小，否则较大的电源纹波引入就能将衰减后的μV级小信号湮没，所以在电源供电上采用了LC滤波。做好屏蔽和电源滤波，可以降低电源噪声的影响。该前置放大器电路能将信号放大7倍左右（约17dB)。6图2.2.5采用MAX2650低噪声放大器芯片构成的前置放大电路经衰减器后输出的μV级小信号经MAX2650低噪放大后变为mV级电压信号，此信号需要再次进行放大。两级晶体管（9018）组成的放大器电路如图2.2.6所示。电路中，晶体管均处于甲类工作状态，并且每级都有LC谐振回路发挥选频作用。级间