LC谐振放大器的设计

摘要：介绍了基于采用分立元件设计的LC谐振放大器的设计方案与实现电路，可用于通信接收机的前端电路，主要由衰减器、谐振放大器、AGC电路以及电源电路四部分组成。通过合理分配各级增益和多种措施提高抗干扰性，抑制噪声，具有中心频率容易调整、稳定性高的特点。电路经实际电路测试表明具有低功耗、高增益和较好的选择性。
关键词：谐振放大器；选频；自激；AGC电路

    小信号调谐放大器是高频电子线路中的基本单元电路，主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。
    1)高频小功率晶体管与LC并联谐振回路
    高频小信号放大电路中采用的高频小功率晶体管与常用电路低频小功率晶体管的主要区别是工作截止频率不同。低频晶体管只能工作在3 MHz以下的频率，而高频晶体管可以工作在几十到几百兆赫兹，甚至可达几千兆赫兹的频率上，其噪声系数为几个分贝。高频小功率晶体管与低频小功率晶体管都是工作在甲类工作状态，起电流放大作用。
    在接收机的各级高频小信号放大器中，利用LC并联谐振回路的选频作用，对谐振点频率的电流信号呈现较大的阻抗，而且是纯电阻性的，将电流信号转换成电压信号输出，而对失谐点频率的电流信号呈现很小的阻抗，抑制失谐点频率电流信号的输出，起到选择出所需接收的信号，抑制无用的信号和干扰的目的。
    2)小信号谐振放大器的分类
    按调谐回路划分：单调谐回路放大器、双调谐回路放大器和参差调谐回路放大器。
    按所用器件划分：晶体管放大器、场效应管放大器和集成电路放大器。
    按器件连接方式划分：共基、共射与共集电极放大器或共源、共漏与共栅极放大器。

1 总体方案设计
    图1为高频小信号放大电路的总体设计框图。

    1)衰减器：
    分立元件白搭的衰减器。
    例如π型和T型网络，精度不高，但衰减效果不错，性价比高。
    2)谐振放大电路：
    方案一：单调谐回路放大器。结构简单，调试方便，但矩形系数大，选择性较差。
    方案二：双调谐回路放大器。选择性好，频带较宽，有效解决单调谐回路谐振放大器的增益与通频带之间的矛盾，但调试复杂。
    据题目要求增益很高，综上所述，选择方案一。
    3)稳压电源：
    现成的直流稳压源，稳定性好，短路保护过流保护措施完善。
    A是5 mV的正弦波信号输入，产生于高频信号发生器，5mV的信号经过40dB的衰减器之后进入谐振放大器，最后输出信号Vo在1V以上。

2 单元模块设计
2．1 40dB衰减器设计
    衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。
    衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器。无源衰减网络有T型网络图2(a)和π型网络图2(b)。

    系统的要求特性阻抗为50 Ω，运用简单的衰减器计算器很容易得到参数，设计一个π型网络。
2．2 谐振放大器设计
2．2．1 谐振放大器原理
    图3所示电路为共发射极接法的晶体管高频小信号调谐放大器。它不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。在高频情况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数等会影响放大器输出信号的频率和相位。晶体管的静态工作点由电阻RB1，RB2及RE决定，其计算方法与低频单管放大器相同。

    放大器在高频情况下的等效电路如图4所示，晶体管的4个y参数yie，yoe，yfe及yre分别为
   
   
    由此可见，晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作电流IE，电流放大系数β有关外，还与工作频率ω有关。晶体管手册中给出的分布参数一般是在测试条件一定的情况下测得的。如在fo=30 MHz，IE=2 mA，UCE=8 V条件下测得晶体管的y参数为：
   
    如果工作条件发生变化，上述参数则有所变动。因此，高频电路的设计采用工程估算的方法。图4中所示的等效电路中，p1为晶体管的集电极接入系数。

    即P1=N1／N2，式中，N1为中间抽头绕线匝数。N2为初级级线圈的总匝数。P2为输出变压器T的副边与原边的匝数比，即P2=N3／N2，式中，N3为副边(次级)的总匝数。
    gL为调谐放大器输出负载的电导，gL=1／RL。通常小信号调谐放大器的下一级仍为晶体管调谐放大器，则gL将是下一级晶体管的输入导纳gie2。由图4可见，并联谐振回路的总电导g∑的表达式为
   
    式中，G为LC回路本身的损耗电导。谐振时L和C的并联回路呈纯阻，其阻值等于1／G，并联谐振电抗为无限大，则jwC与1／(jwL)的影响可以忽略。
    表征高频小信号调谐放大器的主要性能指标有谐振频率f0，谐振电压放大倍数Av0，放大器的通频带BW及选择性(通常用矩形系数Kr0.1来表示)等。
    放大器各项性能指标及测量方法如下：
2．2．2 谐振频率
    放大器的调谐回路谐振时所对应的频率f0称为放大器的谐振频率，f0的表达式为

    式中，Coe为晶体管的输出电容；Cie为晶体管的输入电容。
2．2．3 电压放大倍数
    放大器的谐振回路谐振时，所对应的电压放大倍数Av0称为调谐放大器的电压放大倍数。Av0的表达式为
   
    式中，g∑为谐振回路谐振时的总电导。
2．2．4 通频带
    由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数下降，习惯上称电压放大倍数Av下降到谐振电压放大倍数Av0的0．707倍时所对应的频率偏移称为放大器的通频带BW，其表达式为
    BW=2△f0.7=fo／QL
    式中，QL为谐振回路的有载品质因数。
    分析表明，放大器的谐振电压放大倍数Av0与通频带BW的关系为
   
    上式说明，当晶体管选定即yfe确定，且回路总电容C∑为定值时，谐振电压放大。
2．2．5 选择性——矩形系数
    调谐放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数Kv0.1时来表示，如图5所示的谐振曲线，矩形系数Kv0.1为电压放大倍数下降到0．1 Av0时对应的频率偏移与电压放大倍数下降到0．707 Av0时对应的频率偏移之比，即
   

3 测试结果
    1)衰减器测试结果：输入信号14．14 mV输出信号0．138 mV特性阻抗50 Ω衰减量40．172 dB。
    2)谐振频率fo=15．04 MHz。
    3)功耗：由直流稳压源读数可得，系统的功耗为W=3．6x，35=126 mW。
    4)-3 dB带宽：15．20 MHz-14．95 MHz=150 kHz。
    5)2△f0.7(通频带)：15．20 MHz-14．95 MHz=150 kHz2△f0.1：14．420 5 MHz-15．659 5MHz=7．687 MHz矩形系数Kr0.1==2△f0.1／2△f0.7=7．93
    6)电压增益：数据如表所示，电压增益远远大于题目的基础要求60 dB。

    设计出现过的问题：1)总的电压增益远不等于各级增益相加之和：2)输出波形干扰较大。
    原因分析：1)级间耦合阻抗匹配不合适，级间的功率消耗大；2)各级谐振点不完全一致；3)使用外置稳压源带来的外部很大；4)空气的少量电磁波对频率较高的信号有干扰。
    解决方法：1)电容耦合变为变压器耦合；微调LC，改变其谐振频率，输出电压增益有所改善。2)外加一个屏蔽盒罩在电路板上，改用锂电池对系统供电，效果不错，对干扰有很多的抑制。

4 结论
    系统经高频信号发生器和示波器测试，当输入信号为15 MHz时，改变输入信号幅度，输出电压可达1Vrms以上而无明显的波形失真，此时系统功耗小于130 mW，分析谐振曲线知，系统带宽150 kHz，矩形系数达7．93。系统采用分立元件进行多级谐振放大，加入AGC反馈电路，具有放大、滤波、选频、自动校正功能，表明系统具有低功耗、高增益、较好的稳定性和选择性。