基于单调谐回路的LC谐振放大器设计初探论文_盛业斐1,刘宪力2

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摘要：本系统以单调谐回路谐振放大器为核心，采用参差调谐的方法设计了两级级联的单调谐回路谐振放大器，一级甲类谐振功率放大器。设计采用了共射-共基的电路形式，有效避免了电路在高增益情况下产生的自激现象。电源采用并联馈电，三极管输出部分接入到谐振回路，前后级通过射极跟随器级联，显著降低了前后级放大器之间的干扰，减小了分布参数对谐振回路的直接影响。AGC电路采用负反馈的思想，设计了峰值检波，误差放大，误差积分的电路，将AGC电路的输出作为放大器的跨导 的控制电压。

关键词：单调谐回路；参差调谐；AGC电路；LC谐振放大器

一、方案分析与论证

1.系统目标及分析

本系统，以制作一个3.6V供电，功耗不超过360mW的LC谐振放大器为目标。放大器的谐振频率中心15.0MHz，带宽300kHz，增益至少60dB，在适当情况下，增益至少80dB。输入信号小于50μV，要采用有效的措施避免自激。

最大输出电压为1Vrms，保证信号无明显失真。最后一级电路有足够的压摆率和带宽。尽量减小矩形系数Kr0.1。可以采用级联的方法，或者双调谐回路。

为设计一个调节范围40dB以上的AGC电路，其作为负反馈控制电路，典型的电路包括幅度检测和反馈比较。需设计灵敏的幅度检测电路和调节反馈系数，以达到AGC的效果。

2.方案论证

2.1 LC谐振放大电路方案

本系统的核心是LC谐振放大电路。放大电路要求有优良的选择性和80dB以上的高增益。为实现3.6V这样较低的供电电压，且功耗小于360mW，造成选择器件有很大的限制。

方案一：采用双调谐回路谐振放大器方案。双调谐回路谐振放大器具有频带较宽，选择性较好的优点。单级的双调谐放大器矩形系数是3.16。与单调谐相比更加接近理想的矩形。但是双调谐回路谐振放大器调试困难，特别是本系统对增益和带宽要求严格，这必然导致电路十分复杂。

方案二：采用宽带放大和集中选频的方案。集中选频放大器是宽带技术和固体滤波器技术的发展成果。基本原理是先采用矩形系数较好的集中滤波器进行选频，然后用多级宽带放大器将信号放大。这种方案降低了调谐电路的调试难度，但是对器件要求很高。而且在本系统的功耗要求下难以实现。

方案三：采用级联的单调谐回路谐振放大器方案。单调谐回路谐振放大器是以LC并联谐振回路作为负载的窄带信号放大器。单级调谐的矩形系数是9.95，极限值是2.57。与理想的矩形系数相差较远。单调谐回路的显著优点是调试简单，而且可以获得很高的增益。

所以，综合考虑器件选择和调试的难度，选择方案三，单级调谐的方案。

2.2AGC电路

方案一：用分离元件设计AGC电路。根据AGC原理，用高频二极管设计一个峰值检波电路。将峰值和参考电压进行比较，比较的结果作为控制回路增益的电压。实现AGC的效果。这种电路功耗小，原理简单，主要是调节合适的反馈参数，实现40dB的调节范围。

方案二：用可变增益放大器AD8367设计AGC电路。AD8367是可以2.7V—5.5V供电的可控增益放大器，调节范围-2.5dB—42.5dB，最高工作频率可以到500MHz。可以配置为AGC模式。

综合分析，虽然使用集成芯片AD8367理论上可以满足要求，但是40dB接近AD8367的调节范围极限，可能会影响效果。应用分立元件搭建的AGC电路虽然外围电路较多，但是原理简单。用反馈电压控制放大器的跨导，可以做到40dB以上的调节范围。

3.系统总体方案

系统最终确定的方案是：用π型网络设计一个40dB的衰减器，作为放大器的输入端。主放大器回路由两级单调谐谐振放大器，和一级甲类谐振功率放大器电路组成，将两级单调谐回路分别设置为14.895MHz，15.105MHz，带宽都是为0.21MHz。这种参差调谐的方法对比于直接用相同参数的单调谐回路级联讲效果更好，可以降低矩形系数。最后一级采用甲类谐振功放，输出负载200Ω。因为这一级的Q值较小，可以不考虑这一级对总体谐振幅频曲线，当作宽带放大器。AGC电路由检波电路、放大电路、减法电路、积分电路组成，AGC电路的输出电压控制谐振放大器的静态工作点。这种闭环负反馈可以实现40dB的输入范围调节。

二、理论分析与计算

1.单调谐放大器

为分析两级单调谐回路谐振放大器的性能指标，以共发射级放大器为例，先给出单级单调谐回路谐振放大器的电路分析及参数计算。如图1所示为单级单调谐回路共发射极放大器的高频等效电路。下面逐项分析放大器的主要指标。

（a）高频交流通路图 （b）高频等效电路

图1 单级单调谐回路共发射极放大器等效电路

1.1 电压增益

在实际的电路设计中，负载LC谐振回路使用电感、电容元件组成，有 。分析图1所示的高频等效电路可推知，

式2- 1

令 ，式（2-1）变为

式2- 2

放大器调谐回路的谐振频率 。 是工作频率对谐振频率 的失谐， 是回路的等效品质因数。由式（2-2）可知，谐振放大器的电压增益是工作频率 的函数。当谐振时， ，则谐振电压增益

式2- 3

可见，通过设定调节回路中L和C的值可以调节谐振频率。谐振时，回路的电压增益和晶体管的正向传输导纳成正比，和回路的总电导成反比，因此应适当选择晶体管，以提高增益特性。

当多级级联单调谐回路时，其增益为各级增益的乘积。因此，通过两级级联后，放大器可在确保稳定的条件下获得较高的增益。

1.2 通频带

由式（2-2）得，单级单调谐放大器的谐振曲线可表示为

式2- 4

令 ，求得 ，当谐振频率和通频带确定时，Q值也固定。

此时可求得谐振时电压增益 。为获得较高的增益，应选取 较大的晶体管。题目要求放大器实现窄带选频放大，故还应该适当增大回路总电容 ，以保证谐振曲线稳定，提高放大器的稳定性。

采用两级级联后，总通频带变窄。为保证题目要求的通带宽度，在设计单级放大器通带时应留有裕量，级联后应当耐心调试确保达到要求。

1.3 矩形系数

矩形系数可表示为 。在LC谐振放大器设计时， 越接近1，实际的频率响应曲线越接近理想矩形，选择性越好，滤除干扰信号的能力越强。单级谐振回路理论值约为9.95，理论上单级谐振回路级联的矩形系数极限值是2.577。这与理论的矩形系数仍有较大的差异。采用参差调谐的方法可以减小矩形系数。

图2 参差调谐原理

2.AGC电路设计

AGC控制的理论基础是：晶体管的电流放大系数β随 的大小而改变，通过对Ic的调节，达到控制增益的目的。

AGC电路包括峰值检波电路，放大电路，减法电路，积分电路。AGC电路的输出电压控制谐振放大器的静态工作点，从而控制谐振放大器的增益。在输入信号动态范围内，增大输入信号幅度，AGC检波电压也增大，转换电路输出电流减小，三极管集电极电流减小，增益下降。反之当输入信号减小时，检波电压也减小，三极管基极电流增大，三极管集电极电流增大，增益增加，从而达到了自动增益控制的作用。

三、电路设计

1.π型衰减网络

π型衰减器是一种常见的无源衰减器， ， 。实际设计中，取标称值 ，采用精密电阻搭建。其电路如右图3所示。

图3 π型衰减器

2.LC谐振放大器

单级调谐回路谐振放大器是本系统的设计核心，保证放大器在高增益的情况下放大器的稳定是设计考虑的首要因素。放大器不稳定的本质原因是晶体管的方向传输导纳 的存在。增益越大，反向传输导纳的影响越大，放大器容易自激振荡。一个有效方法是的采用共射-共基电路形式。如下图4所示：

图4 共射-共基电路

共射-共基电路因为Q2共基组态输入阻抗很小，这样Q1共射组态电压增益很小，使得Q1的集电极和基极之间的密勒等效电容很小，其影响可以忽略不计，解决了稳定性问题。并且，由于共射电路电流增益大，共基电路电压增益大，最终共射-共基电路电流增益和电压增益都很大。这种连接方法解决了增益和稳定性之间的矛盾。

因为每级放大器共用一个电源，所以电源必须做好去耦，否则容易造成级间干扰，引入噪声甚至自激。本系统采用并联馈电的方法，减小电源噪声。

根据C9018的数据手册，共基形式输出电容典型值是1.3pF。为了减小输出电容的影响，集电极输出采用部分接入的方法接到谐振回路。接入系数 。前后级之间采用射极跟随器，通过电容耦合。单级电路图如下：

图5 单调谐回路谐振放大器

第一级放大器的中心频率 ，带宽 ，增益37dB；第二级放大器的中心频率 ，带宽 ，增益37dB。

3.甲类谐振功率放大器

本设计在参差调谐放大器之后设置了一级宽带功率放大电路，在满足功耗指标要求的前提下，使放大器具有一定的带负载能力。功率放大器采用甲类工作方式，负载回路仍采用LC谐振回路，经电容部分接入耦合，耦合接入RL=200Ω的负载电阻，满足各项测试的要求。这样，会大大降低回路Q值，使得功率放大电路的频带远比前级谐振放大器的宽，可以视为宽带放大器，不影响系统幅频特性。同时较低的负载电阻也会降低放大器的增益，因此本级放大器增益并不高，也不影响系统增益及其稳定性。电路如图所示。这一级的谐振频率是 ，电压增益10dB。

图6 甲类谐振功率放大器

4.AGC电路

自动增益控制（AGC）电路的主要作用是使电路输出电平保持一定的数值。自动增益控制的目标是设定一个基准输出电平 VREF后，通过检测输出信号，自动调整放大电路的增益，使输出信号有效值稳定在基准电平 VREF上。对自动增益控制电路的主要要求是控制范围要宽，信号失真要小，要有适当的响应时间，同时不能影响系统的噪声性能。当输入信号的电平在一定范围内变化时，尽管 AGC 电路的能够大大减小输出信号电平的变化，但是不能完全消除电平的变化。

通过调节R15可以改变参考电压的幅度，从而改变AGC电路输出的信号电压幅度。放大器AR2的作用是误差放大。误差放大倍数大，检测灵敏度高，但是容易产生震荡。所以放大倍数应该调整在合适的范围。积分电容C12的大小会影响AGC的调节速度，太小容易产生误操作，过大会降低调节速度，AGC效果不明显。C12取值56nF。

图7 AGC电路

四、系统测试

1.测试仪器

RIGOL DG1022信号发生器、Tektronix TD1002数字示波器、FLUKE 287万用表

2.测试方法及结果

（1）幅频特性测试

测试方法如图所示。从高频信号源产生5mVrms¬的信号，40dB的衰减器输入到谐振放大器，谐振放大器的输入信号幅度为50μV。保持输入信号幅度不变，改变输入信号的频率，用示波器测量输出端的信号，绘制幅度特性曲线。

测量的第一步是找到放大器的谐振频率。方法是：输入15MHz信号，以0.01MHz为步进，改变信号频率，找到输出信号最大的频率点，这就是谐振频率。测量得出谐振频率是 ，输出电压 ，增益 。

以谐振频率为中心，测量3dB带宽和20dB频率点，并据此求出矩形系数。

表1 幅频特性测试表

矩形系数

由以上测量数据可以看出，中心频率带宽均满足题目要求。中心频率 与理论值15MHz稍有偏差，原因可能是电容、电感的标称值有误差，另外，器件的温度特性也是影响谐振频率的重要因素。带宽03MHz很准确，这是因为谐振回路中 ，通过微调并联谐振回路的电阻大小改变Q值，可以得到所需要的带宽大小。最终的矩形系数 ，相对于两级相同参数单调谐级联的矩形系数4.6，有很大的改善。说明参差调谐的方法是非常有效的。

（1）最大失真电压测试

根据题目要求，失真度是在输出电压为1Vrms时候进行测量的。将信号源调节在谐振频率点 ，逐步增大输入电压，发现输出信号在1.8Vp-p，波形开始有明显的失真。未能达到题目要求的1Vrms输出。

（2）功耗测试

整个系统的功耗应该在输出电压为最大值的时候进行测试。将输出电压调整到1.8Vp-p，使用3.6V电源供电，测得电流35mA。功耗 ，达到题目要求。

（3）AGC电路测试

测量AGC电路，把谐振放大器的供电从3.6V电源供电改为AGC反馈电路的输出供电。此时整个系统就工作在AGC模式下。输入信号的频率固定为14.92MHz，改变输入信号的幅度，用示波器测量输出信号。

表2 AGC电路测试表

根据题目的要求，AGC控制范围的计算公式是：

调节范围大于40dB，满足题目要求。

小结

根据测试结果，本谐振放大器的谐振频率，带宽和增益均满足系统要求。输出功耗126mW，也远小于系统设定的上限值360mW。AGC电路43.8dB满足系统要求，但是，输出电压从283mVrms~253mVrms小范围波动，与理想的AGC电路相比，仍有可以改进之处。究其原因，是因为随着输入范围的增大，反馈回路的静态误差会不断积累，导致最终的调节跟不上输入的变化。改进方法有：设计检测灵敏度更高的峰值检波电路、减小反馈回路的时间常数、适当增大误差放大倍数等。

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作者简介：盛业斐（1999-07），男，汉族，江苏海门，学生，本科，研究方向：现代通信与计算机科学技术。

论文作者:盛业斐1,刘宪力2

论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期

论文发表时间:2020/1/15

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