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LC放大器等效分析的研究方法
目录
摘要1
Abstract2
1.绪论3
1.1选题背景3
1.2本文研究的目的和意义3
1.3国内外研究现状4
2.LC谐振放大器的基本理论4
2.1LC谐振放大器的工作原理4
2.2LC谐振放大器的参数指标5
2.3LC谐振放大器的分类及特点8
2.4放大器分析的一般原则8
2.4.1从线性到非线性8
2.4.2非线性带来的放大器特点8
2.4.3微变信号的线性等效电路分析9
3.设计一个简单的LC谐振放大电路9
3.1电源电路的设计9
3.2衰减电路设计10
3.3.1高频LC谐振放大器的原理电路图12
3.3.2高频功率放大器的特性曲线14
4.LC放大器等效分析17
4.1LC放大器的等效分析17
4.2静态工作点的分析和调整18
4.3动态特性分析方法19
4.3.1放大器对交流信号的等效原则19
4.3.2放大器交流等效电路形式19
4.4步骤总结20
5总结与展望20
致谢21
参考文献22
摘要
21世纪以来,随着通信行业的迅速发展,LC谐振放大器在通信系统以及其他电子系统中应用逐渐变得广泛。
本文首先对LC谐振放大器的基本情况及各项指标进行了解,并简单设计了一个LC谐振三级放大器。
该LC谐振放大器是由三部分组成。
第一部分是电源电路,利用直流稳压技术来为放大器提供稳定电压。
第二部分是衰减电路用以保护电路,防止过大的信号功率造成的损坏。
第三部分为放大电路部分,该设计的LC谐振放大器采用了三级管来进行谐振放大,放大器被设计为三级,实现了放大器增益60dB。
随后介绍并简单探究了LC谐振电路的等效研究方法,对静态工作点的分析与调整,动态分析方法进行了详细介绍,并总结了等效分析的基本步骤。
通过本文的研究与实践,进一步掌握LC调谐放大器的工作原理。
学会放大器的设计方法同时熟练掌握等效分析方法。
关键词:
LC谐振放大器;三极管;等效分析
Abstract
LCresonanceamplifiersusedincommunicationsystemsandotherelectronicsystemsbecomeincreasinglywidespreadwiththerapiddevelopmentofthecommunicationsindustrysincethe21stcentury.ThispaperintroducesthebasicsituationLCresonantamplifieranditsindicators.Designedasimplethird-orderLCresonantamplifier.TheLCresonantamplifieriscomposedofthreeparts.Thefirstpartisapowersupplycircuit.ItusesDCpowertechnologytoprovideastablevoltagetotheamplifier.Thesecondpartisanattenuationcircuitforcircuitprotection.Itisusedtopreventdamagecausedbytheexcessivesignalpower.Thethirdpartistheamplifiercircuit.ThedesignoftheLCresonantamplifierusesthreetubestoamplifytheresonance.Threeamplifiersaredesignedtoachievea60dBgainamplifier.ThenintroduceandexploreequivalentmethodsofLCresonantcircuit.Detailedanalysisandadjustmentofstaticworkingpoint,dynamicanalysismethods.Summedupthebasicstepsofanequivalentanalysis.Throughstudyandpracticeofthisarticle,tofurtherunderstandtheworkingprincipleofLCtunedamplifier.Amplifierdesignmethodslearnedwhilemasteringtheequivalentanalysis.
Keywords:
LCresonantamplifier;transistor;equivalentanalysis
1.绪论
1.1选题背景
20世纪的末期,电子通讯技术的发展突飞猛进,在这样的时代背景之下,现代电子产品在各领域都有被广泛应用,社会生产力以及互联互通水平都被有力地推动了,同时也使得电子产品的性能得到了进一步增强,产品的更新换代日益加快。
在无线通信中,发射与接收的信号应当适合于空间传输。
所以,被通信设备处理和传输的信号是经过调制处理过的高频信号,这种信号具有窄带特性。
而且,通过长距离的通信传输,信号受到衰减和干扰,到达接收设备的信号是非常弱的高频窄带信号,在做进一步处理之前,应当经过放大和限制干扰的处理。
这就需要LC谐振放大器的参与。
在整个通信系统中,放大器成为十分重要的部件之一。
而LC谐振放大器更是被广泛的应用于通信系统和其它无线电系统中,用于放大在发射机的接收端从天线上感应的非常微弱的信号。
所以LC谐振放大电路虽然简单却没有中断其研究,即使在今天依然很有研究的必要。
1.2本文研究的目的和意义
LC谐振电路在具有电阻R、电感L和电容C元件的交流电路中,电路两端的电压与其中电流位相一般是不同的。
如果我们调节电路元件(L或C)的参数或电源频率,可以使它们位相相同,整个电路呈现为纯电阻性。
电路达到这种状态称之为谐振。
在谐振状态下,电路的总阻抗达到极值或近似达到极值。
谐振放大器是指利用LC谐振回路替代原有的电阻,使其成为选频的重要网络构成的一种放大器。
它的主要作用是可以将需要利用的信号从多个微弱信号中选出并加以放大,还能够对无用的信号进行阻拦抑制。
通信设备中常用的功能电路就是LC谐振放大器,它所放大的信号频率在数千赫兹到数百兆赫兹,从信号所含频谱来看,输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的。
通过等效分析的研究方法研究LC谐振放大器的目的就是要更加深入的认识这种客观现象,并在科学和应用技术上充分利用谐振的特征,同时又要预防它所产生的危害。
所以本文除了对LC谐振放大器进行等效分析研究之外,也设计了一款简单的LC谐振放大器。
1.3国内外研究现状
LC谐振放大器是通信机接收端的前端电路,主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。
LC谐振放大器技术现今在国内外的研究已相对比较成熟,被广泛应用于各种通信系统中。
LC谐振放大器理论相对简单,但实际制作却非常困难。
其中最容易出现的问题是自激振荡,同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。
针对LC谐振放大器存在的这些问题,经过国内外诸多研究,如今已经出现结构简单、成本低廉、性能优异的单元模块。
2.LC谐振放大器的基本理论
2.1LC谐振放大器的工作原理
图1为LC谐振功率放大器原理图,在输入回路中,功率管处于截止状态,基极偏置电压VBB作为结外电场,无法克服结内电场,没有达到晶体管门坎电压,从而,导致输入电流脉冲严重失真,脉冲宽度小于90o。
由iC≈βiB知,iC也严重失真,且脉宽小于90o。
在输出回路中,若忽略晶体管的基区宽度调制效应以及结电容影响,在静态转移特性曲线(iC~VBE)上画出的集电极电流波形是一串周期重复的脉冲序列,脉冲宽度小于半个周期。
图1LC谐振功率放大器原理图
由Dirichlet收敛定理可知,可将电流脉冲序列iC分解成平均分量、基波分量和各次谐波分量之和,即iC=ICO+Ic1mcosωSt+Ic2mcos2ωSt+…
由于集电极谐振回路调制在输入信号频率上因而它对iC中的基波分量呈现的阻抗很大,且为纯电阻。
而对其他谐波分量和平均分量阻抗均很小,可以忽略,这样,在负载上得到了所需的不失真的信号功率。
2.2LC谐振放大器的参数指标
1).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,L为调谐回路电感线圈的电感量;
为调谐回路的总电容,
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。
谐振频率f0的测量方法:
用扫频仪作为测量仪器,用扫频仪测出电路的幅频特性曲线,调变压器T的磁芯,使电压谐振曲线的峰值出现在规定的谐振频率点f0。
2).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,gΣ为谐振回路谐振时的总电导。
因为LC并联回路在谐振点时的L和C的
并联电抗为无限大,因此可以忽略其电导。
但要注意的是yfe本身也是一个复数,所以谐振时输出电压u0与输入电压ui相位差为(180o+Φfe)。
AV0的测量方法是:
在谐振回路已处于谐振状态时,用高频电压表测量电压u0及输入信号ui的大小,则AV0也就是电压的放大倍数可以由下式计算:
AV0=u0/ui或AV0=20lg(u0/ui)dB
3).通频带
谐振回路的主要作用是选频,谐振频率相当于一个基准,当工作的频率偏离此基准的时候,放大器的放大作用就会开始减弱。
通频带BW便是这样的频率偏移范围,它的范围是从谐振电压放大倍数的0.707倍至谐振放大倍数之间的频率偏移范围,通频带的表达式为:
BW=2△f0.7=fo/QL
式中,QL所表示的是处在谐振回路中的有载品质因数。
谐振电压的放大倍数与通频带BW的关系为
通过上式可以看出,当yfe确定时(其中yfe与晶体管有关),而且回路中电容的总和CΣ是一个固定值时,谐振放大器的电压放大倍数AV0与通频带BW的乘积为一常数。
这与低频放大器中的增益带宽积为一常数的概念是相同的。
通频带BW的测量方法:
是通过测量放大器的谐振曲线来求通频带。
测量方法可以是扫频法,也可以是逐点法。
逐点法的测量步骤是:
先调谐放大器的谐振回路使其谐振,记下此时的谐振频率f0及电压放大倍数AV0然后改变高频信号发生器的频率(保持其输出电压uS不变),并测出对应的电压放大倍数AV0。
由于回路失谐后电压放大倍数下降,所以放大器的谐振曲线如图2所示。
图2谐振曲线
通频带越宽放大器的电压放大倍数越小。
要想得到一定宽度的通频宽,同时又能提高放大器的电压增益,由以上分析可知,除了选用yfe较大的晶体管外,还应尽量减小调谐回路的总电容量CΣ。
如果放大器只用来放大来自接收天线的某一固定频率的微弱信号,则可减小通频带,尽量提高放大器的增益。
4).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2所示的谐振曲线,矩形系数Kv0.1为电压放大倍数下降到0.1AV0时对应的频率偏移与电压放大倍数下降到0.707AV0时对应的频率偏移之比,即
Kv0.1=2△f0.1/2△f0.7=2△f0.1/BW
上式表明,矩形系数Kv0.1越小,谐振曲线的形状越接近矩形,选择性越好,反之亦然。
一般单级调谐放大器的选择性较差(矩形系数Kv0.1远大于1),为提高放大
器的选择性,通常采用多级单调谐回路的谐振放大器。
可以通过测量调谐放大器的谐振曲线来求矩形系数Kv0.1。
当单级放大器不能满足性能要求时(主要是增益要求),常采用多级放大器级联的方式。
级联之后的增益、通频带和选频性等指标都会发生相应的变化。
设放大器有m级,各级电压增益分别为Av1,Av2,Avm,则总的电压增益为:
通频带:
当m级相同的放大器级联时,总的通频带为:
选择性(矩形系数)
令Am/Am0=0.1,得:
m越大,级数越多时,矩形系数越小,选择性越好
5).噪声系数
与低频放大器一样,选频放大器的输出噪声也来源于输入端和放大电路本身。
通常用信噪比来表示噪声对信号的影响,电路中某处信号功率与噪声功率之比称信噪比。
信噪比越大,信号质量越好。
噪声系数是用来反映电路本身噪声大小的技术指标。
其定义为输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值。
噪声系数越接近于1,说明放大器的抗噪能力越强,输出信号的质量越好
2.3LC谐振放大器的分类及特点
LC谐振放大器是一个庞大的家族,可以通过多种分类方式进行分类。
若按照电路元器件可分为:
晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器。
若按照频带可分为:
窄带放大器、宽带放大器。
若按照电路形式可分为:
单级放大器、多级放大器。
若按照负载性质可分为:
谐振放大器、非谐振放大器。
LC谐振放大器的主要有三大特点,首先一个特点是频率较高,中心频率一般在几百KHZ到几百MHZ频带宽度在几KHZ到几十MHZ,故必须用选频网络。
其次一个特点是小信号,信号较小故工作在线性范围内即工作在线性放大状态。
最后一个特点是采用谐振回路做负载,即对靠近谐振频率附近的信号有较大的增益,对远离谐振频率附近的信号其增益迅速下降,即具有选频放大作用。
2.4放大器分析的一般原则
2.4.1从线性到非线性
PN结无疑奠定了半导体元器件的根基。
它的伏安特性图像并非是线性的,同伏安特性成线性的电阻相比较,一些很重要的结论便可以得出:
(1)如果是电阻非线性的器件,在它的伏安曲线上取任意的一点,这一点的交流电阻和其直流电阻通常不等。
(2)如果是电阻非线性的器件,那么期间的交流电阻与直流电阻通常是一个变化数.而它的变化取决于静态工作点的选择。
我们知道PN结的有着比较小的正向电阻以及比较大的反向电阻。
所以,在理想情况下我们常把这种情况等效为单向导电性。
三极管由两个PN结组成,在放大状态下,它的输出特性类似于PN结的正向特性,反之亦然。
这就是非线性在电子原件中的特性。
这样的特点使得电子线路同普通线性电路存在一定差别,了解这些为了解放大器的各项特征提供了保障和基础。
2.4.2非线性带来的放大器特点
非线性的电子器件由于其特殊的伏安特性,常会产生失真现象,通常称为非线性失真,是由于电子器件产生频率的分量导致的。
这对于放大器的正常工作影响巨大。
所以放大器需要静态偏执,否则因为发射结单向导电的特性,会造成十分严重的失真,这样会造成正半周是导通的,但是负半周截至,这也就是所谓的乙类工作状态。
解决这一失真的方法是沿着电压轴把交流信号的中心位置进行偏移,也就是在发射结上加上一个正向的偏压,使得正向的偏压值可以大于交流信号所产生的振幅值,使得PN结在交流信号的作用下,其正、负两个半周均处于导通状态,这就是所谓的甲类工作状态,这样就可以得到不失真的放大信号。
由此得到两条结论:
(1)为了克服PN结自身特性也就是单向导电性所引起失真,即非线性的失真,放大器若想加载交流源产生的信号,便首先要进行直流偏置准备工作;
(2)放大器的线路中既存在着交流源产生的信号同时也存在直流源产生的信号;这也就是说电路中应有交流通路也有直流通路;在进行分析是既要考虑直流信号也不能忘记交流信号的存在。
直流工作点通过对放大器电路的直流分析来确定,而其他放大器指标如放大倍数、输入输出电阻等需要通过交流分析来确定。
2.4.3微变信号的线性等效电路分析
在放大器的分析方法中,微变等效电路法非常重要,把交流信号的分析变成了线性电路的分析问题,这样就完成了线性——非线性一一线性的全过程。
用微变等效电路分析法分析放大电路的关键在于正确的画出放大电路的微变等效电路。
具体方法是:
首先画出放大电路的交流通路,然后用晶体管的简化h参数等效电路代替晶体管,并标明电压、电流的参考方向。
基本步骤如下:
(1)确定放大电路的静态工作点。
这一步多采用近似值估算法或图解法。
(2)求出静态工作点Q附近的h参数。
这一步可通过在输入输出特性曲线上作图确定。
一般情况下可以估算出rbe。
(3)画出放大电路的微变等效电路。
(4)应用线性电路理论进行计算,求得放大电路的主要性能指标。
3.设计一个简单的LC谐振放大电路
3.1电源电路的设计
该电源电路为谐振放大器的制作提供了电源,为谐振的放大提供了基础。
其电路设计如图3所示。
题目要求给放大器供电的3.6V稳压电源自备,所以本设计采用AC—DC模块将220V交流电转为5V直流电压输出,然后采用美国半导体公司的三端可调稳压器LM317将5V转为3.6V稳压直流电源,其最大负载电流为1.5A,而本设计要求功耗最大不允许360mW,即工作电流不超过100mA,所以此电源足以给系统供电,经过测试3.6V电源纹波在80mv左右,对放大器电路影响相对较小。
图33.6V电源模块
3.2衰减电路设计
衰减器是将一定量的衰减引入的电路,它需要作用在确定的频率范围之内。
衰减器的类型由衰减的分贝量以及它的阻抗特性所决定。
比如在接收机前加个衰减,可以避免过大的信号功率损坏接收机,或者在传输线路中加入衰减,模拟长距离传输的线路损耗等等。
衰减器的分类有两种,一种是有源型的衰减器,另外一种则是无源型的衰减器。
常用的可变衰减器就是由热敏感元件同有源型衰减器相互组合搭配构成的,常被用于放大器内部的斜率控制模块或者自动增益模块中。
而可调衰减器和固定衰减器则是无源型衰减器的两种分类。
衰减电路的设计为谐振放大的测试提供了方便,同时为了达到3dB要求带宽,特性阻抗保持50欧,设计电路图采用精密电阻,以便有效提高衰减量精确度及减少温漂影响。
令输入电压为Ui,输出为Uo,则π型衰减网络的计算公式为:
由于在题目要求中的特性阻抗为固定的50Ω,而且在后级的放大器中使用匹配的50Ω输入阻抗的放大器,阻抗固定则可以使用无源的π型对称网络电阻衰减网络进行衰减40dB,该网络衰减器具有输入输出特性阻抗一致,且不随衰减等级而变化的特点,电压的衰减倍数设为
和特性阻抗
设为50Ω,则其可由以下公式计算出
,
,的电阻值:
根据工式可以算出,
Ω,
Ω。
3.3谐振放大电路设计
调谐放大器分为小信号调谐放大器和调谐功率放大器。
其中小信号调谐放大器:
输入信号很小,要求增益足够大,满足通频带要求,选择性好,工作在甲类,多用于接收机。
小信号谐振放大器的主要应用于广播、电视、通信、测量等。
利用它选出有用频率信号并加以放大,而对无用频率信号予以抑制。
调谐功率放大器:
输入信号mV以上,要求大的功率和效率,工作在丙类,多用于发射机。
发射机中的振荡器产生的信号功率很小,需要经过多级功率放大器才能获得足够的功率,送到天线辐射出去。
调谐功率放大器输出功率范围,可以小到便携式发射机的毫瓦级,大到无线电广播电台的几十千瓦,甚至兆瓦级。
目前,功率为几百瓦以上的调谐功率放大器,其有源器件大多为电子管,几百瓦以下的调谐功率放大器则主要采用双极晶体管和大功率场效应管。
高频小信号谐振放大电路的基本电路结构是选频放大电路,它主要由放大器与选频回路两部分构成。
主要特点是放大器的负载不是纯电阻,而是由L、C组成的并联谐振回路。
由于L、C并联谐振回路的阻抗是随频率变化的,在谐振频率点处,其阻抗呈现纯电阻性,且达到最大值,因此放大器具有最大的放大倍数,稍离开谐振频率,放大倍数就会迅速减小。
因此,用这种放大器可以有选择性地放大所需要的某一频率信号,而抑制不需要的信号或外界干扰噪声。
所以,调谐放大器在无线电通讯等方面被广泛用作高频和中频的选频放大器。
谐振放大器是高频放大电路中一种最基本的常见单元电路,调谐放大器是由调谐回路和半导体三极管放大器相结合而构成,这种放大器的主要特点是具有选频功能。
用于放大的有源器件可以是半导体三极管,也可以是场效应管,电子管或者是集成运算放大器。
用于调谐的选频器件可以是LC谐振回路,也可以是晶体滤波器,陶瓷滤波器,LC集中滤波器,声表面波滤波器等。
根据小信号调谐回路采用的是单调谐回路还是双调谐回路,可分为小信号单调谐放大器和双调谐放大器。
3.3.1高频LC谐振放大器的原理电路图
图4中电路所示的为共发射极连接方法的晶体管高频小信号调谐放大器。
它有两种功能,一种是将高频信号放大,另外一种功能是具备选频的功能,在图中我们可以看到RB1与RB2两个电阻,它们被称作直流偏置电阻;Re被称为直流反馈电阻,作用是提高工作点的温度以及稳定性;LC并联接法的谐振回路构成了晶体管的集电极负载阻抗。
在高频信号输入的时候,放大器的输出信号的相位以及频率会受到晶体管自身的导线分布参数和极间电容的影响。
电阻RB1,RB2及RE决定着晶体管的静态工作点,它的计算方法等同于低频单管放大器的计算方法。
图4小信号调谐放大器
上图是一个采用晶体管的高频功率的放大器的原理线路图。
除偏置电路以及电源外,它的组成有三部分,第一是晶体管,其次是谐振回路最后一部分是输入回路。
此放大电路经常运用高频的大功率晶体管。
这种晶体管可以承受大电流以及高电压,特征频率
也是比较高的。
晶体管其实是一个控制电流的器件,它能在激励信号电压较小的情况下,使基极电流iB形成,而电流iB能够对集电极电流iC进行控制。
电流iC的作用就是通过谐振回路以使高频的功率输出。
这一系列的步骤使得电源的直流功率被逐步的转换成了高频功率。
为了使高频功放能够更加高效的输出大功率,我们经常将工作状态定位在丙类,为了保证在丙类工作,基极偏置电压应使晶体管工作在截止区,一般为负值,即静态时发射结为反偏。
此时输入激励信号应为大信号,一般在0.5V以上,可达1到2V,甚至更大。
晶体管的作用是将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。
线路特点:
(1)LC谐振回路作为晶体管的负载起到选频滤波以及阻抗匹配的作用。
(2)电路工作在丙类工作状态以保证电路效率较高;基极负偏压(或零偏压)。
关系式:
(1)外部电路关系式:
(2)晶体管的内部特性:
(3)(半)导通角:
根据晶体管的转移特性曲线可得:
即集电极的导通角是由输入回路决定的。
必须强调指出:
集电极电流ic虽然是脉冲状,但由于谐振回路的这种滤波作用,仍然能得到正弦波形的输出。
3.3.2高频功率放大器的特性曲线
图5谐振功率放大器的转移特性曲线
功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给直流功率
,使之一部分转变为交流信号功率
输出去,另一部分功率以热能形式消耗在集电极上,成为集电极耗散功率
。
根据能量守衡定理:
直流功率:
输出交流功率:
-回路两端的基频电压
-基频电流
-回路的负载阻抗
谐振功率放大器的动态特性曲线(负载线)高频放大器的工作状态是由负载阻抗
、激励电压
、供电电压
等4个参量决定的。
如果
3个参变量不变,则放大器的工作状态就由负载电阻
决定。
此时,放大器的电流、输出电压、功率、效率等随
而变化的特性,就叫做放大器的
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