LC谐振放大电路论文解读.docx
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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。
1.2LC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:
2.2AGC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40dB
AGC控制范围为20log(Vomin/Vimin-20log(Vomax/Vimax(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≈1uFf0=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(AGCPCB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
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