一种高增益低功耗LC谐振放大器的设计

(怀化职业技术学院，湖南 怀化 418000)

1 前言

随着电子信息科学的发展，对通信系统提出更高的要求，如灵敏度高、性能稳定、实用范围广.其中，高频LC谐振放大器是通信设备中常用电路，广泛应用于广播、电视、通信、测量仪器等通信系统，特别是在无线发射设备中，为了保证信号有效地传送到接收端，其发射机功率是有效传输的关键因素，利用谐振放大器可将信号放大至所需功率[1].LC谐振放大器可实现微弱的高频信号不失真放大，且输入信号频谱与放大后输出信号的频谱一致.接收系统的结构框图如图1所示.

图1 接收系统方框图

系统中，混频后的信号非常小，故中频放大器是一种小信号放大器，为使信号能正确解调，中频放大器需有足够大的放大倍数，同时良好的矩形系数可以得到更好的选频效果和滤除杂波效果.为使中频放大电路的工作范围更加广泛，采用AGC 电路，其性能也决定着信号的工作范围，由此可知中频放大器的选择性、放大倍数与噪声在很大程度上对于整个通讯电路的选择性、灵敏度和频率特性都起了决定性的作用[2].文中采用LC谐振放大器设计了一种中频放大器.

2 系统设计

2.1 系统框架

图2 系统框图

系统由图2所示的六个部分组成.其中，-40 dB的衰减器由电阻网络搭建，它可以放大足够小的信号，一般信号发生器无法输出-80 dBm的信号，它是系统为测试电路的小信号放大能力而设计的.LC谐振放大电路由前、后端放大电路组成.前、后端放大电路均采用三级放大，构成六级参差调谐放大电路.AGC 电路包含两个部分，一部分是由电平检测电路和滤波放大电路组成，另一部分为可控衰减电路.电平检测电路负责采样输出信号的大小，并设定一定的门限值，当超过门限值时开始成比例地输出直流电压信号.滤波放大电路对直流电压信号进行滤波和放大使之能驱动可控衰减电路，可控衰减电路根据直流电压的大小对信号进行相应的衰减[3].

2.2 衰减器的设计

输入输出电阻均为50 Ω，且衰减要达到固定40 dBm，系统采用线性的、参数固定的衰减器.对于线性电路采用最多的是电阻网络，要达到衰减的效果，可采用电阻分压方式，如图3所示.

图3 衰减器1

对于图3，只要选取合适的R1和R2就可以达到想要的衰减量，由衰减40 dB，得

设RL'为输入阻抗，且要求RL'为50 Ω，则

联立这两个方程得到:R1=49.5 Ω，R2≈0.5 Ω.

这样就满足了输入端的阻抗，再列上满足输出阻抗也为50 Ω的方程.但是从RL 往左端看，由于R2=0.5 Ω，那么输出阻抗肯定小于0.5 Ω，这样就不满足输出阻抗50 Ω的要求.从对称设计的角度可以得到这个衰减器是一个对称的衰减器，尝试将电路往对称的方向改，用最简单的方式，这里只需再加一个电阻就可实现这种对称，按照拓扑结构来考虑，则有四个方案，图4中a 图、b 图电路是偶对称结构，c 图、d 图电路是奇对称结构.但c 图、d 图电路的输出和输入不共地，不符合要求.其中b 图比a 图更便于理论计算，因此本衰减器选用b 图方式.

图4 衰减器

根据基尔霍夫电压定理，有

由于衰减40 dB，得:

输入阻抗为50 Ω，得:

根据对称性，得:

由以上4 式得R2=R3=51 Ω，R1=2.5 kΩ.

2.3 LC谐振放大电路设计

三极管的放大倍数一般为20 dB，而单级的增益过高易引起振荡，且出于对矩形系数的考虑，需采用多级放大来达到放大倍数的要求[4].系统采用参差调谐的多级放大达到矩形系数的要求.多级参差调谐放大器，就是各级的调谐回路和调谐频率都彼此不同.采用参差调谐放大器的目的是增加放大器总的带宽，同时又得到边沿较陡峭的频率，以此来达到扩展带宽、提高矩形系数的目的[5].谐振放大器由图6的前端放大电路和图7的后端放大电路组成;LC谐振放大器各级电路的谐振点设置在中心频率，可通过调节可调电容来稍作偏离实现参差调谐，中心频率为

通过在高频磁芯上绕线圈得到带抽头的电感，根据经验设定这里的L为500 nH，再选用谐振电容，根据式(7)，则有

选用50 pF的瓷片电容和20 pF的可调电容.

图5 参差调谐

图6 前端放大电路

图7 后端放大电路

调试中，过高的Q值虽然会使得放大器的放大倍数提高，但容易发生振荡，并且带宽也窄，同时也不利于微调.为了提高系统的矩形系数，系统采用6级放大，这样就降低了每一级的放大倍数，使最终电路的等效Q值为50.

单级的Q值难以计算，只能定性判断，在调试时通过调节谐振电路的并联电阻来调节Q值.LC谐振放大器的第一级采用共基组态放大电路，以达到输入电阻为50 Ω，同时又能放大电压的目的，第二级到第五级都采用共射放大电路结构，可以将各级的静态工作逐渐升高，以保证功耗较低且能满足逐级放大信号的需要，最后输出级采用升压输出方式以达到足够的输出幅度.

2.4 AGC 电路

电平检测电路和滤波放大电路，如图8所示.3.6 V 升压模块提供8.5 V 供电，从第五级输出端取样，由RP3进行取样量调节后送入混频器NE602，使信号与其自身进行混频，得到直流分量和谐波频率，由C2和C9滤除谐波成分，再由TL082 放大直流信号后输出，使输出直流电平与取样点的幅度成正比.

图8 AGC1 电平检测电路和滤波放大电路

可控衰减电路中采用MPN3404 型PIN 二极管，它作为高频信号开关使用，截止时，对高频信号阻碍大，导通时，对高频信号的阻碍小.利用该性质设计一个可控的衰减器.

工作原理:Q3静态工作点的计算:

图9 AGC2可控衰减电路

假设放大器输出的电平较低，AGC第二部输出的控制信号就比较小，这时D4基本不导通，IB(Q2)过小致使IC(Q3)基本由IE(Q2)提供，这时由R8、L1、DG1、DG2、DG3、L2、Q1、Q3组成的直流通路的导通程度最大，由PIN 二极管的性质知此时DG1、DG2、DG3的高频阻抗很小，再由式(12)可知C3和C4 对15MHz的信号的阻抗很小.

在该状况下信号几乎可不衰减地通过可控衰减器，当信号具有一定大小时，解调输出直流电平大时，使得IB(Q2)增大，Q2的导通程度加大，由R8、DG4、R4、DG5、Q2、Q3组成的直流通路导通程度加大，Q1的导通程度的减小使得DG1、DG2、DG3的电流变小，对高频的电阻加大，输入信号由C3、C10、R3、DG4、C14到地，DG1输出的信号由C7、DG4、C14到地，DG2输出信号也可由C8、DG5、C12到地.这样对信号就起到了衰减作用，并且这个衰减程度随着输出电平的加大而加大.

3 调试过程

在电路设计时，设定顺时针调节可调电阻时为增大电路的参数.为了调节谐振放大电路的静态工作点，将可调电阻设置在基极与地之间，当可调电阻超调时，不会导致因基极电压过高而烧坏三极管.电路布局布线时，应将可调元件放置在合适位置，方便调节，同时应能方便断开引脚的连线，如不让布线穿过引脚，而是从引脚上引线出来.把可能需切断的布线不要放置在元件下面，同时为了方便修改，布线也尽可能不经过元件下方.注意适当预留测试接线点，方便与示波器等仪器连接[6].

系统调试之前，首先检查电源是否短路，在确保电源线路正常的前提下，进行后续的调试工作.

(1)前端放大模块的调试:首先调试前端放大模块，调节每一级的静态工作点，使每一级的VBQ=1.2 V.在进行电路焊接工作时，注意不要焊接级与级之间的信号耦合电容，引出当前级的信号输入端和输出端，扫频仪输出端通过-40 dBm 衰减器后接入放大器输入端，设定扫频仪扫频范围为10 MHz-20 MHz、输出电平为-50 dBm.观察扫频仪的显示，调节可调电容，看波峰是否有变化，再调节静态工作点，看放大倍数是否有变化，如果放大20 dB，那么扫频仪显示出来的波形在-3 dB 处的电平应该是-50+(-40)+20 =-70 dBm.这些都正常后，将各级的放大倍数调节为15 dB 左右.参差调谐就是使每一级的中心频率不一样，这样先粗略地分配一下各级的中心频率，第一级14.8 MHz 左右，第二级15 MHz，第三极15.2 MHz，带宽暂不考虑.各级都调试好后再焊接耦合电容进行三级联调，波形应该有三个波峰，再将带宽调至500 kHz 左右.

(2)后端放大模块调试与前端放大模块调试思路一致，区别在于扫频仪的输出电平为-10 dBm，谐振点第四级14.5 MHz、第五级15 MHz、第六级15.5 MHz.

(3)前、后端放大模块联调:首先查看波形的波峰位置是否合适，如不合适，调节可调电容来找到本级放大对应的波峰，然后调节到分配的谐振点[7].当波形基本正确后，通过调节谐振点和静态工作点来调节增益，一般静态工作点提高后增益也会提高，但是噪声和自激的可能性也会增加，当然功耗也会增加.首先设法通过微调谐振点来达到增益的要求，如不能再尝试调节静态工作点.扫频仪输出的电平是-50 dBm，经过-40 dB的衰减器后电平衰减至-90 dBm，如果增益达到80 dB，扫频仪上的曲线在-3 dB 处的电平将达到-10 dBm，因为输出级的电平有限，所以调节增益时注意不要使曲线超过-5 dBm.在调节增益的同时也注意带宽和中心频率的调节，反复调节直到带宽、增益、中心频率都达到要求.接下来放大器输出接200 Ω的负载，使用带鳄鱼夹的同轴电缆接入示波器，查看是否自激，如有自激就还得再微调，不自激后，最后测试输出能否达到1 Vrms，再检查放大倍数、中心频率、带宽是否合适，这样的调试一般要反复好几次才能达到相应的指标.

调试可控衰减电路，首先检测静态工作点，静态点的电流量通过测电阻的电压来计算[8]，图7中测量R17的电压即可得到IC(Q3)，通过该量判断是否达到了设计的静态工作点，静态工作点正常后，接上给定控制信号后测试电路的两条直流通路的工作情况是否和原理中一致，正常后再在AGC 输入端加信号，测试其对信号是否能衰减，衰减程度能否随控制信号的变化而变化.调试电平检测电路和滤波放大电路时，用信号发生器给AGC 提供取样信号，改变信号的大小看AGC 输出的控制电平是否有变化，值是否合适，输出值不变就顺着信号链路下查，直至合适后，联调整个AGC，调试过程中需注意给定合适电平.

4 测试

4.1 测试方法

设扫频仪输入、输出阻抗为50 Ω，扫频仪输出模式设定成扫频模式，扫频范围为12.5～17.5 MHz，扫频仪的输出端接衰减器的输入端，衰减器的输出端接扫频仪的输入端，观察扫频仪显示屏上曲线的平均dBm值.这个平均值减掉扫频仪输出电平值得到就是衰减器的衰减量.可以看到整个频率范围内，曲线都比较均匀，说明电阻的线性比较好[9].按下表设定不同的输出电平，记录得到的曲线平均电平值，并计算得到衰减量.

由以上数据分析可知，衰减器的衰减量稳定在40±2 dB 内，平均值为40.1 dB，符合要求，若使用精密电阻，衰减量会更加准确.

4.2 测试结果和分析

硬件系统搭建后，对系统各功能进行参数测试，测试结果如表1所示.

表1 LC 谐振放大器指标测试表

从表1可知:除了矩形系数可进一步减小之外，其它要求均能达到.矩形系数可采用吸收回路法和双回路法陶瓷专用滤波器等来进一步减小.

5 结论

本文设计的LC谐振放大器充分考虑了电路的成本与传输效率，MOS 管的使用，使电路的功耗大大降低，同时提高电路的传输效率，采用常用分立元件实现高精度，取得了良好的效果，从测试结果来看，该LC谐振放大器的指标均达到设计要求.

[1]王海梅.基于Multisim的高频小信号谐振放大器仿真研究[J].新技术新工艺，2015 (2):68-71.

[2]杨晓超，王世金，王月，等.太阳同步轨道空间粒子辐射剂量探测与研究[J].宇航学报，2008，29 (1):357-361.

[3]谭亲跃，林福昌，王少荣，等.串联谐振式高压电容器充电电源的效率特性研究[J].高压电器，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.电子电路设计[M].北京:电子工业出版社，2006:25-56.

[6]王渊朝，彭斌，黄武林.一种LC谐振无线无源温度传感器的研究[J].宇航学报，2013 (10):1341-1344.

[8]张海瑞，彭旭锋，梁庭，等.LC谐振传感器的信号检测系统研究[J].传感技术学报，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.