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LC谐振放大器论文
2011年全国大学生电子设计竞赛
LC谐振放大器(D题)
【HLJ-D-XXX组】
2011年9月3日
摘要
本系统采用了分模块设计匹配互连的思想。
本LC谐振放大器系统分为前级衰减部分、增益放大与档位控制部分、LC谐振网络部分、后级稳压输出部分四部分。
由直流电源供电,采用双π型衰减网络,实现输入信号衰减40dB,再经过由LMH6733构成的60dB放大网络,实现基本要求,此后用开关选择是否进行80dB放大来实现发挥部分要求,放大的信号通过由LC谐振选频网络来对信号进行选择,符合15KHz的信号要求,最后由电压跟随器将信号引出,减小输出阻抗,以增大带负载能力。
通过系统电源隔离,低纹波电源设计等措施减小系统噪声干扰,并通过级间耦合减小自激振荡。
系统设计合理,精确、方便、稳定、通用,通过验证,本系统可以对输出电压数值的漂移,零点漂移等不良影响进行有效地抑制和降低。
通过全面的调试和测量,使得本系统可满足题目的部分要求,并融入了自己的创新思想,设计出了一个可调节稳定性好、抗干扰能力强、幅频特性好的LC谐振放大器,经测试满足题目要求的指标。
关键字:
衰减LC谐振
Abstract
Thesystemusesapointsmatchtheinterconnectmoduledesignideas.TheLCresonantamplifiersystemisdividedintosomepre-attenuation,gaincontrolamplificationsectionwithstalls,LCresonantnetworkpart,thelatterpartoftheoutputvoltagelevelinfourparts.FromaDCpowersupply,dualπ-typeattenuatornetwork,theinputsignalisattenuated40dB,andthenformedthroughtheLMH673360dBamplificationnetwork,toachievethebasicrequirements,thenusetheswitchtoselectwhethertoplayapart80dBamplificationtoachievetherequirementsoftheamplifiedsignalselectedbytheLCresonantfrequencythroughthenetworktoselectthesignal,inlinewith15KHzsignal,whichultimatelywillbethesignalfromthevoltagefollowerleads,reducingtheoutputimpedance,inordertoincreaseloadcapacity.Throughthesystempowersupplyisolation,lowripplepowersupplyandothermeasuresdesignedtoreducesystemnoise,andreducedbytheinter-stagecouplingself-oscillation.
Systemdesignisreasonable,accurate,convenient,stable,universal,validated,thissystemcanoutputvoltagevaluedrift,zerodriftandotheradverseeffectstoeffectivelycontainandreduce.Throughcomprehensivedebuggingandmeasurement,makesthesystemtomeettherequirementsofthesubject'spart,andintohisowninnovativeideastodesignanadjustablestability,stronganti-interference,theamplitude-frequencycharacteristicsofagoodLCresonantamplifier,testedtomeettherequirementsofthesubjectindex.
目录
一、系统方案1
1.1衰减模块的论证与选择1
1.2增益模块的论证与选择1
1.3.LC谐振网络的论证与选择1
二、系统理论分析与计算1
2.1衰减网络2
2.2通频带内的增益起伏2
2.3带宽与矩形系数...............................................................................................................2
2.4放大电路的稳定性...........................................................................................................3
2.5输出电压..........................................................................................................................4
3、系统总体框图与设计
3.1系统总体框....................................................................................................................4
3.2系统的放大电路............................................................................................................4
3.3电源.................................................................................................................................5
四、测试方案与测试结果5
4.1测试方案5
4.2测试条件与仪器5
4.3测试结果及分析5
4.3.1测试结果(数据)5
4.3.2测试分析与结论5
六、总结6
附录1:
电路原理图5
LC谐振放大器(D题)
【HLJ-D-XXX组】
一、系统方案
题目分析:
综合分析题目要求:
衰减量40±2dB,特性阻抗50Ω,频带与放大器相适应;f0=15MHz,允许偏差±100kHz;增益不小于60dB;
-3db带宽:
2△f0.7=300KHz;带内波动不大于2db;
输入电阻:
Rin=50Ω,负载电阻为200Ω,输出电压1V时,波形无明显失真。
其中特性阻抗为50Ω且衰减量为40dB,频带范围满足15MHz是本题一大难点,另一难点即LC谐振网络的设计。
经过分析和论证,我们认为此次LC谐振放大系统主要由衰减模块、放大模块、选频模块、电源模块组成,下面分别论证这几个模块的选择。
1.1衰减模块的论证
采用π型或者T型衰减电路设计。
此方案电路简单,调试容易,指标和可靠性容易保证,因为电阻阻值的个别差异,当衰减时存在少许误差,输入阻抗50欧,输出阻抗50欧,π型电阻衰减网络由电阻搭建,其增益误差由电阻精度决定。
这种电阻网络对后级零漂基本无影响,噪声低,工作频率动态范围大,输入输出阻抗稳定,另外,使用电阻搭建的衰减网络价格低,可靠性高。
经过多方面特性和通用性的比较与实际检测,选用两个π型衰减电路串联的方式即双π型衰减电路可以满足此次放大器的设计要求,因此采用此方案。
1.2增益模块的论证与选择
方案一:
采用两片放大芯片,比如LMH6733搭建而成的多级放大增益网络,通过拨码开关可使其放大到60dB和80dB。
但是由于LMH6733十电流型反馈元件,容易长生自激振荡,且级数越多自激振荡越严重,使电压波形严重失真,因此不满足题目要求,故不予采用。
方案二:
采用三极管级联电路,通过调整电路测静态工作点来改善输出。
在合适的静态工作点是电路的增益最大,且分立元件之间不易产生较大的自激振荡,各级之间通过电容耦合,消除一定程度的自激振荡。
且三极管经济适用,耐压值大于功放芯片,所以采用此种方案。
综合以上二种方案,选择方案二。
1.3LC谐振网络的论证与选择
方案一:
采用分离元件实现。
为保证高频端放大器的稳定性和带内幅度的平坦度,电压放大输出模块采用分立元器件构成电路形式,得到较高的输出电压范围和相应的输出阻抗,分离元件的物理特性容易满足,性能比较稳定,经过试验调试,此方案可以采用。
二、系统理论分析与计算
2.1衰减网络的分析
(1)
图1衰减电路原理
应用举例:
特性阻抗为50Ω,信号衰减40dB,计算R1、R2的值。
利用上面的公式所得,R1=51Ω,R2=2.5kΩ
(2)
→
图2双π型衰减电路
所示电路可以在不改变等效阻抗的前提下实现对信号电压的衰减,满足衰减量40±2dB,特性阻抗50Ω,频带与放大器相适应的条件。
2.2通频带内增益起伏控制
由于各元器件的幅频特性以及所涉及的滤波器的幅频特性不平坦等多种元素,系统通频带内会出现起伏。
如AD8367的频率响应特性有一个增益尖峰调节它的反馈电阻可以使增益变化范围进行平移。
该电阻选取合适时,将增益尖峰调节在15M范围内,是输出的信号幅度平坦。
再通过LC谐振网络实现题目要求的在−3dB带宽:
2Δf0.7=300kHz;带内波动不大于2dB。
2.3带宽和矩形系数分析
经分析验证,LC谐振电路的幅频特性的带宽与LC谐振电路的级数有关,级数越高,带宽2△f0.7越窄,因此,为了满足题目对带宽的要求,我们在这里采用两级LC谐振电路,中间用电容耦合,组成谐振网络,使带宽满足300KHz的要求,此外我们这样做还有另一种缘由就是增大LC谐振电路的级数还能够减小网络的矩阵系数,使幅频特性曲线更接近理想状态,从而满足发挥部分的指标。
图3谐振放大器典型幅频特性示意图
图4LC电容耦合选频网络
2.4放大器稳定性
放大器要达到绝对稳定,放大器不仅不能同时接近自激条件:
ΔΨ=180度和20㏒|T|=0dB,而且要留有适当的富裕量。
富裕量越大,放大器越不易产生自激振荡,但设计也就越困难,同时对放大器所使用的元件的要求很严格。
不良接地和不充分的供电电源滤波、大容量性负载、输入杂散电容的影响和高频噪声都对放大器的稳定性有影响。
本系统具有较好的稳定性。
通过电源旁路电路增加电路的稳定性,电源和地之间使用10µF的电容再并联一个0.1µF的电容,来提高放大器的稳定性。
其次,在电源电压加到元件上之前就通过连接有电容和电感做成的π型二端口网络对电源进行滤波,保证电源的稳定与纯净,使系统稳定。
2.5输出稳压
为了满足题目中功耗测试时输出电压为1V是的要求,特采用1051作为电路的最后输出部分,它能够将输出稳定在固定值,通过对电路设计可使其输出稳定为1V,便于测得电路功耗。
三、系统总体框图与设计
3.1系统总体框图如图5所示
图5系统总体框图
3.2系统的放大电路如图6所示,通过三极管搭建而成的分立元件网络对电信号放大,再通过LC谐振选频网络进行选频,达到实现滤波功能。
图6增益网络部分电路
3.3电源
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。
为整个系统提供或者3.6V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,故不作详述。
四、测试方案与测试结果
用自制的直流稳压电源为LC谐振放大器供电,用仪器观测
4.1测试方案
1、硬件测试
2、软件仿真测试
3、硬件软件联调
4.2测试条件与仪器
测试条件:
检查多次,仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同,并且检查无误,硬件电路保证无虚焊。
测试仪器:
高精度的数字毫伏表,模拟示波器,数字示波器,数字万用表,指针式万用表。
4.3测试结果及分析
4.3.1测试结果(数据)
4.3.1.1固定衰减部分测试:
输入频率(MHz)
输入电压(V)
理论输出(mV)
实际输出(mV)
误差(mV)
1
0.5
5
4.90
0.10
2
0.5
5
5.00
0
3
0.5
5
4.93
0.07
4
0.5
5
4.90
0.10
5
0.48
4.8
4.77
0.03
6
0.48
4.8
4.80
0
7
0.48
4.8
4.70
0.10
8
0.48
4.8
4.75
0.05
9
0.475
4.75
4.75
0
0
0.47
4.7
4.60
0.10
11
0.45
4.5
4.44
0.06
12
0.43
4.3
4.28
0.02
13
0.42
4.2
4.20
0
14
0.42
4.2
4.19
0.1
15
0.39
3.9
3.88
0.02
4.3.1.2增益部分测试:
输入频率(MHz)
1
2
3
4
5
6
7
8
输出电压(V)
5.00
5.02
4.90
4.98
4.90
4.91
4.78
4.77
输入频率(MHz)
9
10
11
12
13
14
15
输出电压(V
4.60
4.65
4.60
4.51
4.20
4.02
4.01
4.3.2测试分析与结论
由测试数据可知,谐振放大器的最大增益,最小输入电压,最大输出电压,带负载能力等指标都达到了题目的要求。
在测量输出电压时,由于测试环境中有大量的电子设备,环境中的干扰比较大。
从带宽与矩形参数看基本满足要求,但是从幅频特性的测试结果看谐振放大器的带宽存在少许误差,这主要由于电容、电感等元件的误差比较大造成的。
虽然经过精确挑选、调试,最终只实现了如上效果。
五、总结
在这次制作放大器并不断调试的过程中,我们充分了解了测试过程中应注意的问题,需要极高的耐性和极强的观察分析能力,对数据要有很高的敏感度,需要反复测试,得到多组数据,最后取它们的平均值。
我们在整个设计制作过程中,始终关注系统的性能指标和运行的稳定性,本着稳定性和精确性并重的原则,我们采取了诸多的有效措施,不断地调试,进行众多方案的比较与试验,完成了设计题目所规定的部分指标和要求,达到基本的性能指标,而且对于有些指标我们的设计还有了一定的的提高,功能也有所扩展。
这次是我们新团队第一合作共同完成一个项目,虽然在过程中有很多的麻烦和困难存在,但是最终我们都一一克服,我们希望在未来的努力中可以更加团结,达到更加完美的地步。
附录1:
电路原理图
装订线
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加密号:
加密号:
赛区编号:
学校名称:
XXXX大学
队员姓名:
XXXXXXXXX
赛点负责人:
2011年9月3日
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