一種高增益低功耗LC諧振放大器的設計

(懷化職業技術學院，湖南 懷化 418000)

1 前言

隨著電子信息科學的發展，對通信系統提出更高的要求，如靈敏度高、性能穩定、實用范圍廣.其中，高頻LC諧振放大器是通信設備中常用電路，廣泛應用于廣播、電視、通信、測量儀器等通信系統，特別是在無線發射設備中，為了保證信號有效地傳送到接收端，其發射機功率是有效傳輸的關鍵因素，利用諧振放大器可將信號放大至所需功率[1].LC諧振放大器可實現微弱的高頻信號不失真放大，且輸入信號頻譜與放大后輸出信號的頻譜一致.接收系統的結構框圖如圖1所示.

圖1 接收系統方框圖

系統中，混頻后的信號非常小，故中頻放大器是一種小信號放大器，為使信號能正確解調，中頻放大器需有足夠大的放大倍數，同時良好的矩形系數可以得到更好的選頻效果和濾除雜波效果.為使中頻放大電路的工作范圍更加廣泛，采用AGC 電路，其性能也決定著信號的工作范圍，由此可知中頻放大器的選擇性、放大倍數與噪聲在很大程度上對于整個通訊電路的選擇性、靈敏度和頻率特性都起了決定性的作用[2].文中采用LC諧振放大器設計了一種中頻放大器.

2 系統設計

2.1 系統框架

圖2 系統框圖

系統由圖2所示的六個部分組成.其中，-40 dB的衰減器由電阻網絡搭建，它可以放大足夠小的信號，一般信號發生器無法輸出-80 dBm的信號，它是系統為測試電路的小信號放大能力而設計的.LC諧振放大電路由前、后端放大電路組成.前、后端放大電路均采用三級放大，構成六級參差調諧放大電路.AGC 電路包含兩個部分，一部分是由電平檢測電路和濾波放大電路組成，另一部分為可控衰減電路.電平檢測電路負責采樣輸出信號的大小，并設定一定的門限值，當超過門限值時開始成比例地輸出直流電壓信號.濾波放大電路對直流電壓信號進行濾波和放大使之能驅動可控衰減電路，可控衰減電路根據直流電壓的大小對信號進行相應的衰減[3].

2.2 衰減器的設計

輸入輸出電阻均為50 Ω，且衰減要達到固定40 dBm，系統采用線性的、參數固定的衰減器.對于線性電路采用最多的是電阻網絡，要達到衰減的效果，可采用電阻分壓方式，如圖3所示.

圖3 衰減器1

對于圖3，只要選取合適的R1和R2就可以達到想要的衰減量，由衰減40 dB，得

設RL'為輸入阻抗，且要求RL'為50 Ω，則

聯立這兩個方程得到:R1=49.5 Ω，R2≈0.5 Ω.

這樣就滿足了輸入端的阻抗，再列上滿足輸出阻抗也為50 Ω的方程.但是從RL 往左端看，由于R2=0.5 Ω，那么輸出阻抗肯定小于0.5 Ω，這樣就不滿足輸出阻抗50 Ω的要求.從對稱設計的角度可以得到這個衰減器是一個對稱的衰減器，嘗試將電路往對稱的方向改，用最簡單的方式，這里只需再加一個電阻就可實現這種對稱，按照拓撲結構來考慮，則有四個方案，圖4中a 圖、b 圖電路是偶對稱結構，c 圖、d 圖電路是奇對稱結構.但c 圖、d 圖電路的輸出和輸入不共地，不符合要求.其中b 圖比a 圖更便于理論計算，因此本衰減器選用b 圖方式.

圖4 衰減器

根據基爾霍夫電壓定理，有

由于衰減40 dB，得:

輸入阻抗為50 Ω，得:

根據對稱性，得:

由以上4 式得R2=R3=51 Ω，R1=2.5 kΩ.

2.3 LC諧振放大電路設計

三極管的放大倍數一般為20 dB，而單級的增益過高易引起振蕩，且出于對矩形系數的考慮，需采用多級放大來達到放大倍數的要求[4].系統采用參差調諧的多級放大達到矩形系數的要求.多級參差調諧放大器，就是各級的調諧回路和調諧頻率都彼此不同.采用參差調諧放大器的目的是增加放大器總的帶寬，同時又得到邊沿較陡峭的頻率，以此來達到擴展帶寬、提高矩形系數的目的[5].諧振放大器由圖6的前端放大電路和圖7的后端放大電路組成;LC諧振放大器各級電路的諧振點設置在中心頻率，可通過調節可調電容來稍作偏離實現參差調諧，中心頻率為

通過在高頻磁芯上繞線圈得到帶抽頭的電感，根據經驗設定這里的L為500 nH，再選用諧振電容，根據式(7)，則有

選用50 pF的瓷片電容和20 pF的可調電容.

圖5 參差調諧

圖6 前端放大電路

圖7 后端放大電路

調試中，過高的Q值雖然會使得放大器的放大倍數提高，但容易發生振蕩，并且帶寬也窄，同時也不利于微調.為了提高系統的矩形系數，系統采用6級放大，這樣就降低了每一級的放大倍數，使最終電路的等效Q值為50.

單級的Q值難以計算，只能定性判斷，在調試時通過調節諧振電路的并聯電阻來調節Q值.LC諧振放大器的第一級采用共基組態放大電路，以達到輸入電阻為50 Ω，同時又能放大電壓的目的，第二級到第五級都采用共射放大電路結構，可以將各級的靜態工作逐漸升高，以保證功耗較低且能滿足逐級放大信號的需要，最后輸出級采用升壓輸出方式以達到足夠的輸出幅度.

2.4 AGC 電路

電平檢測電路和濾波放大電路，如圖8所示.3.6 V 升壓模塊提供8.5 V 供電，從第五級輸出端取樣，由RP3進行取樣量調節后送入混頻器NE602，使信號與其自身進行混頻，得到直流分量和諧波頻率，由C2和C9濾除諧波成分，再由TL082 放大直流信號后輸出，使輸出直流電平與取樣點的幅度成正比.

圖8 AGC1 電平檢測電路和濾波放大電路

可控衰減電路中采用MPN3404 型PIN 二極管，它作為高頻信號開關使用，截止時，對高頻信號阻礙大，導通時，對高頻信號的阻礙小.利用該性質設計一個可控的衰減器.

工作原理:Q3靜態工作點的計算:

圖9 AGC2可控衰減電路

假設放大器輸出的電平較低，AGC第二部輸出的控制信號就比較小，這時D4基本不導通，IB(Q2)過小致使IC(Q3)基本由IE(Q2)提供，這時由R8、L1、DG1、DG2、DG3、L2、Q1、Q3組成的直流通路的導通程度最大，由PIN 二極管的性質知此時DG1、DG2、DG3的高頻阻抗很小，再由式(12)可知C3和C4 對15MHz的信號的阻抗很小.

在該狀況下信號幾乎可不衰減地通過可控衰減器，當信號具有一定大小時，解調輸出直流電平大時，使得IB(Q2)增大，Q2的導通程度加大，由R8、DG4、R4、DG5、Q2、Q3組成的直流通路導通程度加大，Q1的導通程度的減小使得DG1、DG2、DG3的電流變小，對高頻的電阻加大，輸入信號由C3、C10、R3、DG4、C14到地，DG1輸出的信號由C7、DG4、C14到地，DG2輸出信號也可由C8、DG5、C12到地.這樣對信號就起到了衰減作用，并且這個衰減程度隨著輸出電平的加大而加大.

3 調試過程

在電路設計時，設定順時針調節可調電阻時為增大電路的參數.為了調節諧振放大電路的靜態工作點，將可調電阻設置在基極與地之間，當可調電阻超調時，不會導致因基極電壓過高而燒壞三極管.電路布局布線時，應將可調元件放置在合適位置，方便調節，同時應能方便斷開引腳的連線，如不讓布線穿過引腳，而是從引腳上引線出來.把可能需切斷的布線不要放置在元件下面，同時為了方便修改，布線也盡可能不經過元件下方.注意適當預留測試接線點，方便與示波器等儀器連接[6].

系統調試之前，首先檢查電源是否短路，在確保電源線路正常的前提下，進行后續的調試工作.

(1)前端放大模塊的調試:首先調試前端放大模塊，調節每一級的靜態工作點，使每一級的VBQ=1.2 V.在進行電路焊接工作時，注意不要焊接級與級之間的信號耦合電容，引出當前級的信號輸入端和輸出端，掃頻儀輸出端通過-40 dBm 衰減器后接入放大器輸入端，設定掃頻儀掃頻范圍為10 MHz-20 MHz、輸出電平為-50 dBm.觀察掃頻儀的顯示，調節可調電容，看波峰是否有變化，再調節靜態工作點，看放大倍數是否有變化，如果放大20 dB，那么掃頻儀顯示出來的波形在-3 dB 處的電平應該是-50+(-40)+20 =-70 dBm.這些都正常后，將各級的放大倍數調節為15 dB 左右.參差調諧就是使每一級的中心頻率不一樣，這樣先粗略地分配一下各級的中心頻率，第一級14.8 MHz 左右，第二級15 MHz，第三極15.2 MHz，帶寬暫不考慮.各級都調試好后再焊接耦合電容進行三級聯調，波形應該有三個波峰，再將帶寬調至500 kHz 左右.

(2)后端放大模塊調試與前端放大模塊調試思路一致，區別在于掃頻儀的輸出電平為-10 dBm，諧振點第四級14.5 MHz、第五級15 MHz、第六級15.5 MHz.

(3)前、后端放大模塊聯調:首先查看波形的波峰位置是否合適，如不合適，調節可調電容來找到本級放大對應的波峰，然后調節到分配的諧振點[7].當波形基本正確后，通過調節諧振點和靜態工作點來調節增益，一般靜態工作點提高后增益也會提高，但是噪聲和自激的可能性也會增加，當然功耗也會增加.首先設法通過微調諧振點來達到增益的要求，如不能再嘗試調節靜態工作點.掃頻儀輸出的電平是-50 dBm，經過-40 dB的衰減器后電平衰減至-90 dBm，如果增益達到80 dB，掃頻儀上的曲線在-3 dB 處的電平將達到-10 dBm，因為輸出級的電平有限，所以調節增益時注意不要使曲線超過-5 dBm.在調節增益的同時也注意帶寬和中心頻率的調節，反復調節直到帶寬、增益、中心頻率都達到要求.接下來放大器輸出接200 Ω的負載，使用帶鱷魚夾的同軸電纜接入示波器，查看是否自激，如有自激就還得再微調，不自激后，最后測試輸出能否達到1 Vrms，再檢查放大倍數、中心頻率、帶寬是否合適，這樣的調試一般要反復好幾次才能達到相應的指標.

調試可控衰減電路，首先檢測靜態工作點，靜態點的電流量通過測電阻的電壓來計算[8]，圖7中測量R17的電壓即可得到IC(Q3)，通過該量判斷是否達到了設計的靜態工作點，靜態工作點正常后，接上給定控制信號后測試電路的兩條直流通路的工作情況是否和原理中一致，正常后再在AGC 輸入端加信號，測試其對信號是否能衰減，衰減程度能否隨控制信號的變化而變化.調試電平檢測電路和濾波放大電路時，用信號發生器給AGC 提供取樣信號，改變信號的大小看AGC 輸出的控制電平是否有變化，值是否合適，輸出值不變就順著信號鏈路下查，直至合適后，聯調整個AGC，調試過程中需注意給定合適電平.

4 測試

4.1 測試方法

設掃頻儀輸入、輸出阻抗為50 Ω，掃頻儀輸出模式設定成掃頻模式，掃頻范圍為12.5～17.5 MHz，掃頻儀的輸出端接衰減器的輸入端，衰減器的輸出端接掃頻儀的輸入端，觀察掃頻儀顯示屏上曲線的平均dBm值.這個平均值減掉掃頻儀輸出電平值得到就是衰減器的衰減量.可以看到整個頻率范圍內，曲線都比較均勻，說明電阻的線性比較好[9].按下表設定不同的輸出電平，記錄得到的曲線平均電平值，并計算得到衰減量.

由以上數據分析可知，衰減器的衰減量穩定在40±2 dB 內，平均值為40.1 dB，符合要求，若使用精密電阻，衰減量會更加準確.

4.2 測試結果和分析

硬件系統搭建后，對系統各功能進行參數測試，測試結果如表1所示.

表1 LC 諧振放大器指標測試表

從表1可知:除了矩形系數可進一步減小之外，其它要求均能達到.矩形系數可采用吸收回路法和雙回路法陶瓷專用濾波器等來進一步減小.

5 結論

本文設計的LC諧振放大器充分考慮了電路的成本與傳輸效率，MOS 管的使用，使電路的功耗大大降低，同時提高電路的傳輸效率，采用常用分立元件實現高精度，取得了良好的效果，從測試結果來看，該LC諧振放大器的指標均達到設計要求.

[1]王海梅.基于Multisim的高頻小信號諧振放大器仿真研究[J].新技術新工藝，2015 (2):68-71.

[2]楊曉超，王世金，王月，等.太陽同步軌道空間粒子輻射劑量探測與研究[J].宇航學報，2008，29 (1):357-361.

[3]譚親躍，林福昌，王少榮，等.串聯諧振式高壓電容器充電電源的效率特性研究[J].高壓電器，2015 (4):78-83.

[4]Minjae Joung.Dynamic analysis and optimal design of high efficiency full bridge LLC resonant converter forserver power system[A].APEC[C].Orlando，FL，2012:1292-1297.

[5][美]David Comer，Donald Comer.電子電路設計[M].北京:電子工業出版社，2006:25-56.

[6]王淵朝，彭斌，黃武林.一種LC諧振無線無源溫度傳感器的研究[J].宇航學報，2013 (10):1341-1344.

[8]張海瑞，彭旭鋒，梁庭，等.LC諧振傳感器的信號檢測系統研究[J].傳感技術學報，2015 (4):503-509.

[9]Xiong J J，Li Y，Hong Y P，et al.Wireless LTCC-Based CapacitivePressure Sensor for Harsh Environment[J].Sensors and Actuators A:Physical，2013 (197):30-37.