电气论文基于高频窄带小信号放大器设计

由天下分享时间：2025/1/26 13:32:29 加入收藏我要投稿点赞

摘要

本作品基于高频窄带小信号放大器，由3.6V稳压电源模块，衰减器模块，三级三极管谐振选频放大模块， AGC模块组成，具有谐振放大的功能。通过保证三极管S9018工作在线性区，从而可达到放大微弱信号的目的。我们在选频网络中使用了高品质因数的绕线电感，绕线电感具有良好的通带特性，可以使谐振频率维持在15M,3dB带宽也小于300KHz，整个系统具有大于75dB的电压放大性能。放大器使用干电池与LM317构成线性电源，并且减少电源纹波对输入小信号的影响及抑制放大器噪声，提高了系统稳定性，我们还利用AD603实现AGC。除此以外，我们还采用屏蔽罩以及同轴电缆等多种方式减小噪声的影响。当系统工作时，总功耗很低，仅有50mW左右，符合电子设计中功耗低的设计潮流与趋势。

关键字: LC谐振放大器、三极管、低功耗

一、系统方案与论证 1. 方案比较与选择

(1) 直流稳压电源的设计

方案1:开关稳压电源。此方案效率高，但电路复杂, 开关电源的工作频率通常为几十～几百KHz，基波与很多谐波均在本放大器通频带内，极易带来串扰。

方案2:线性稳压电源。有两种方案可以选择：一种是串联型线性稳压源，电路相对简单，效率高，由稳压芯片输出的电压值比较稳定，完全可以满足系统设计的要求;另一种是并联型线性稳压源，精度比串联型稳压源高，但是电路复杂。

方案论证：由于本系统对直流稳压电源的低噪声要求很高，综合比较之后，我们选择既可以满足系统要求，电路又相对简单的方案2中的串联型线性稳压源的设计方案，并且使用碱性干电池作为电源提供的器件。

(2) 衰减器的设计

方案1:采用类似于变压器的设计，通过耦合线圈的匝数比实现相应的衰减，这种方法衰减稳定，但是容易受外界干扰。

方案2:使用阻抗匹配网络，这一方法电路简单，但须做好阻抗匹配，否则在高频时会出现衰减量比较明显的变化。

方案论证：考虑到实现的实际效果和实现困难程度，采用方案2实现衰减器的功能，并做好阻抗匹配。

(3) 放大单元电路的设计

方案1：采用运算放大器，运算放大器的使用极其方便，增益容易控制，能保证良好的幅频特性，工作电流通常在几十毫安。一般运算放大器采用双电源供电，部分运放也能采用单电源供电，但性能不够稳定。

方案2：采用分立元件搭建放大电路，例如三极管，三极管放大电路噪声小，需要调节直流工作点使得三极管工作在线性区，调试相对复杂，但电路不算复杂，而且功耗低，如9018这样的三极管只需要几毫安就能较好地工作，不过需要采用多级跟随电路使得性能稳定。

方案论证：若采用方案1的运算放大器，功耗可能无法满足要求，而且受增益带宽积的限制，很难在高频实现大倍数的放大效果。而三极管电路功耗小，增益大，故我们选择了可以满足系统要求，并且指标优异的分立元件电路（即三极管放大电路）。

(4) 选频单元电路的设计

方案1：在三极管共射电路集电极添加谐振，实现选频放大。这种方案可以保证很高的精度，并且方便可行。

方案2: 采用运放搭建有源滤波器，在输出端构造出选频特性。这种方案要求运放拥有极高的增益带宽积，通常较难实现。

方案3:采用无源LC网络搭建出带通滤波器，这种方法与方案一器件类似，但实现起来较为困难。

方案论证：上述三种方案的比较可以看出，方案一的可行性最高，因此我们选择方案1。

(5) 自动增益控制电路的设计

方案1：采用两片AD603级联形成自动增益控制电路。

方案2：采用DACS0832或类似的芯片形成自动增益数字控制电路。

方案论证：由于平时的训练中对于AD603比较熟悉，而在本次的设计中AD603也能实现相应的目标，故采用方案1 。

2. 系统描述

根据题目的要求，信号首先经过衰减器，再经过两级放大，通过谐振网络实现谐振放大的功能，最后通过AGC实现信号的输出。整体框图如下所示：输入衰减器三极管放大器AGC输出谐振网络

二、理论分析与计算

为了实现放大微弱信号的目的，应该调节直流偏置使得三极管工作在线性区。另外还需要合理地部署各级的放大倍数，使得最终信号能够实现有效的放大。带宽也需要考虑，虽然系统所需的频带较窄，但仍然是高频。除此以外，AGC的范围控制也是值得注意的。

1.放大器的增益

依据资料，三极管9018增益带宽积为1.1G，也就是说对于15M的信号最大放大70倍左右，考虑到三极管电路噪声较小，而且此次需要进行微弱信号的放大，因此我们将这两级都设为30多倍左右，这样放大器的总增益为1000多倍。这样就可以实现总增益至少1000倍的条件。

2.AGC参数设置

AGC主要需要设置它的动态控制范围，控制范围可以表示为

Range=20log(Vomin/Vimin)－20log(Vomax/Vimax)

由于AGC控制范围需要大于 40 dB，因此当输入为最小时，需要多40dB. 此时AD603需要提供100倍的增益，对于15M的带宽，两片ad603级联是可以实现的。

3.带宽以及矩形系数

在本次的系统中，带宽以及矩形系数是值得注意的，因为这两个参数反映了放大器的谐振特性，首先带宽必须满足小于300KHz，这也就意味着LC的谐振

网络中，电感的品质因数必须足够大，至少要大于200，除此以外，矩形系数反映了整个系统的选频性，必须加以重视，提高谐振网络的质量，减小3dB带宽，减小矩形系数。

三、电路与程序设计 1. 直流稳压电源的设计

根据系统电源要求，我们需要制作输出为3.6V的直流稳压电源。由于题目要求进行微弱信号的放大，所以对电路的纹波要求比较高，因此我们选择了干电池，并且经过LM317形成了线性稳压电源，另外我们还把直流电源设计的重点放在滤波的问题上。

为了避免供电电压地线的串扰，我们采用磁珠隔离。然后经过电容滤波，尽量减小纹波。稳压之后继续使用电容滤波，这样可以提高放大器稳定性。而对于供电器件，我们选择了碱性干电池，多个干电池并联可以得到较大的电压值，而且电池供电纹波较小，供电电流足。电源设计电路图如下所示：

2. 三级三极管谐振放大电路的设计

放大电路由三极管完成，三极管工作状态有三种，放大、饱和、截止，其中又以放大状态最为复杂，主要用于小信号的放大领域，常用的三极管放大电路形式有：共发射极放大电路，共集电极放大电路，共基极放大电路三种，其中共集电路用于电流放大（功率放大），共基电路用于高频放大，共射电路用于低频放大。三极管共发电路可以提供良好的增益，但是输入输出阻抗特性较差，因此我们在级与级之间添加跟随器，利用共集电路的特性，为前后级电路提供良好的阻抗特性，这样也有利于进行阻抗匹配，可以使放大器实现最佳性能地放大。为了满足输出谐振的要求，我们使用绕线电感和电容实现谐振，获得良好的选频特性。电容和电感串联，电容器放电,电感开始有有一个逆向的反冲电流，电感充电;当电感的电压达到最大时，电容放电完毕，之后电感开始放电，电容开始充电，这样的往复运作，称为谐振。而在器件的选择方面，由于绕线电感的品质因数较高，因此可以使得选频特性更好。

3. AGC电路的设计

使用两片AD603级联形成AGC,实现相应的要求。AD603是一种具有程控增益调整功能的芯片。它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关

系，压摆率为275V/μs。管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在-11～+30dB时的带宽为90Mhz，增益在+9～+41dB时具有9MHz带宽，改变管脚间的连接电阻，可使增益处在上述范围内。该集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益控制、A/D转换量程扩展和信号测量系统。电路如下图所示：

共需要7组三极管电路，每组设置电流工作点为4mA，因此所有的功耗理论计算为为100mW。最大不失真电压约为1V（有效值）。

系统总体电路图见附录。

四、测试方法及测试结果 1.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，测试时室温25度。

2. 测试仪器

1) 示波器：Tektronix TDS210 60MHZ 1GS/s。

2) 信号源：F120型数字合成函数/任意波信号发生器/计数器。

3. 测试方案

手动调节输入信号的幅度以及频率，依次测量相应的选频特性以及增益的情况，得出所需测量的参数。

4. 测试结果

1.衰减器性能测试

使输入信号Vpp保持1V测试此时的衰减器衰减性能。