高頻小信號(hào)LC 諧振放大器的設(shè)計(jì)

0引言

高頻小信號(hào)放大器是放大中心頻率在幾百兆赫茲到幾百千兆赫茲的高頻小信號(hào)的放大器。它在通信電子系統(tǒng)中有著重要的用途，通常應(yīng)用在廣播、電視、通信、雷達(dá)等無線通信的前段接收機(jī)中，其對(duì)接收機(jī)的靈敏度、抗干擾性和選擇性等整機(jī)指標(biāo)有關(guān)鍵性影響。

高頻小信號(hào)放大的理論比較簡(jiǎn)單，但實(shí)際制作卻非常困難。其中最容易出現(xiàn)的問題是自激振蕩，同時(shí)頻率選擇和各級(jí)間阻抗匹配也很難實(shí)現(xiàn)。因此，電路設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮到電源濾波、退偶電路、級(jí)間耦合電路、阻抗匹配電路及匹配電路對(duì)整體電路的影響。

本文需設(shè)計(jì)并制作一個(gè)低功耗LC諧振放大器，要求滿足的條件：

(1)諧振頻率f0=12MHz，允許偏差±100kHz;

(2)增益不小于40dB;

(3)輸入電阻Rin=50Ω;

(4)在放大器的輸入端插入一個(gè)40dB固定衰減器，特性阻抗50Ω。為了便于放大器的設(shè)計(jì)，采用了NI Multisim電路仿真軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。

1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

高頻小信號(hào)放大器主要由衰減網(wǎng)絡(luò)模塊、LC諧振放大模塊、電壓跟隨器模塊和電源模塊組成。工作流程為：信號(hào)經(jīng)衰減網(wǎng)絡(luò)后得到一個(gè)微弱信號(hào)，通過電壓跟隨器進(jìn)行阻抗匹配，再輸入給一級(jí)放大電路，放大后的信號(hào)在通過電壓放大器進(jìn)行阻抗匹配的同時(shí)也能起到放大的作用，再通過二級(jí)放大電路，從而實(shí)現(xiàn)高增益、低損耗的LC諧振放大功能。系統(tǒng)框圖如圖一所示：

2模塊分析

2.1衰減網(wǎng)絡(luò)模塊

衰減器是一種在指定的頻率范圍內(nèi)引入一預(yù)定衰減的電路，一般以所引入衰減的分貝數(shù)及其特性阻抗的歐姆數(shù)來標(biāo)明。經(jīng)典的衰減器有π型、T型和橋型衰減器，衰減效果較好，但是對(duì)于高頻小信號(hào)，無源衰減網(wǎng)絡(luò)選擇π型或T型網(wǎng)絡(luò)更加適合。

本文選擇π型電阻型網(wǎng)絡(luò)做衰減，如圖二所示：

2.2 LC諧振放大模塊

LC諧振放大器由LC諧振回路和放大器兩部分組成，可以用于選出有用頻率信號(hào)并加以放大。諧振部分采用經(jīng)典的無源LC并聯(lián)諧振電路，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的，電路簡(jiǎn)單穩(wěn)定。

本模塊的另一部分就是放大，也是關(guān)鍵的一步。本設(shè)計(jì)要求使用3.6V的穩(wěn)壓電源，功耗不超過360mW的放大器。根據(jù)要求，本文選用了功耗較小的2N2222三極管，用于放大高頻小信號(hào)，并通過兩級(jí)放大實(shí)現(xiàn)增益的要求。放大電路如圖三所示：

2.3電壓跟隨模塊

電壓跟隨器是輸出電壓與輸入電壓相同的一種放大器，就是放大倍數(shù)恒小于且接近1.電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)是輸入阻抗高而輸出阻抗低，在電路中可以起到緩沖、隔離、提高帶載能力和阻抗匹配的作用。本文采用電壓跟隨器很方便地設(shè)計(jì)了在兩級(jí)放大電路間的一個(gè)匹配電路，同時(shí)也起到了隔離的效果。本文設(shè)計(jì)的電壓跟隨器采用運(yùn)放OPA355和兩個(gè)阻值大小相等的電阻組成。電壓跟隨電路如圖四所示：