LC諧振放大器（D題)設計論文摘要本系統以LC諧振放大電路為核心，以π型衰減電路為衰減器網絡電路，以9018三極管為主要放大器件；通過衰減器對輸入電壓進行調整衰減，然后經過兩級調諧放大電路放大，并使用LM317芯片控制穩壓電路為芯片3.6v供壓，完成了LC諧振放大器的設計；通過運用Multisim11仿真軟件仿真，從而順利地實現了題目要求的指標：衰減量達到39.77dB，特性阻抗50Ω，且頻帶與放大器相適應放大指標：中心頻率也能夠很好的穩定在15MHz，放大增益理論可達60dB之多，輸入內阻基本達到50Ω，并且焊接出實物作品。本作品通過實驗完成，在仿真軟件模擬下電路完全能夠達到題目要求。整個作品制作成本低、穩定性好、功耗小，除個別指標未能達到完美設計要求外，其它全部達到設計要求。關鍵詞：小信號放大電路LC諧振放大器低功耗π型衰減網絡目錄1.系統方案論證21.1.衰減器設計方案論證21.2.系統諧振放大器設計方案論證41.3.后級放大電路的比較與選擇42.系統整體設計方案52.1.衰減器網絡設計52.1.1.衰減器的原理52.1.2.衰減器的理論設計52.1.3.衰減器模塊的設計制作7諧振放大網絡設計92.2.1.高頻LC諧振功率放大器原理及特性分析92.2.2.高頻LC諧振功率放大器電路設計132.3.電源系統設計143.系統測試及仿真16仿真軟件簡介及概述163.2.功率衰減器的仿真及處理193.2.1.衰減器電路原理圖及設計分析193.3.高頻諧振功率放大器電路的仿真與分析203.3.1.中心頻率的確定213.3.2.輸入內阻Rin的確定223.3.3.放大增益的確定233.3.4.負載特性243.4.電源系統電路設計電路圖253.4.1.電源系統仿真結果254.參考文獻265.結束語27系統方案論證衰減器設計方案論證實際應用中，有固定衰減器和可變衰減兩大類，我們本實驗需要的是固定衰減器，常用的固定衰減器有T型網絡衰減器和π型衰減網絡結構，故可以有以下方案。方案一：T型網絡衰減器結構圖如1-1所示，以圖1-1為例對T型網絡的設計公式進行推導:。圖1-1首先從輸入端看進去的輸入電阻應該等于Ro，所以可得又根據電路輸入電壓和輸出電壓的關系可得：聯立方程①和②，可解得：題目要求衰減量40±2dB，特性阻抗50Ω，可帶入數據或者利用固定衰減器計算軟件算出50歐40dBT型衰減器：R1=49ohm，R2=1ohm。考慮到外圍電路的設計及影響，我們不采用此方案。方案二：π型網絡衰減器結構圖如1-2所示。圖1-2可得π型網絡的計算公式為：同理，帶入數據或者利用固定衰減器計算軟件算出50歐40dBPI型衰減器：R1=51ohm，R2=2496.8ohm。考慮到系統電阻使用及購買問題，我們采用此方案。綜合比較，基于實驗要求的考慮，及便利之舉，我們選擇方案二。系統諧振放大器設計方案論證方案一：采用諧振集成運放設計。此方案的優點是電路實現簡單，指標和可靠性容易得到保證，易于電路分析和調試，但本賽題要求精確度較高，集成器件電壓要求較高，故為不可取方案。方案二：采用分立元件設計。基于本題要求，此方案元器件成本低，頻率高時更突出。雖此方案在長時間內難以保證可靠性和指標，也不便于維護，但能夠精確實驗數據，維持實驗基本要求。綜合比較，基于器件購買選擇及試題要求的考慮，采用方案二，即采用采用分立元件設計主放大器。后級放大電路的比較與選擇由于9018放大倍數在40-100之間，不能滿足題目放大要求，所以前級放大信號需經過后級功率放大達到更高的輸出有效值。方案一：使用集成電路芯片。使用集成電路芯片電路簡單、使用方便、性能穩定、有詳細的文檔說明。可是題目要求電源電壓3.6V而在電子市場很難買到這樣的芯片，而且很容易發生工作不穩定的情況。方案二：使用分立元件設計后級放大器。使用分立元件設計困難,調試繁瑣,可是卻可以經過計算得到最合適的輸入輸出阻抗、放大倍數等參數,電阻電容可根據需要更換,在此時看來較集成電路靈活。因此,我們決定自行設計后級放大器。故根據題目LC諧振放大器的要求，為了很好的放大，故選擇采用兩級放大電路。系統設計總結構結構圖如1-3所示：電源電路LC諧振放大器衰減電路ABViVoLC諧振放大器衰減電路圖1-3系統結構示意圖系統整體設計方案衰減器網絡設計衰減器的原理衰減器的原理框圖如圖1-4所示。Port-1 衰減器 Port-2P1P2圖2-1衰減器的原理框圖其信號輸入功率為P1，輸出功率為P2。若P1、P2以毫瓦分貝（dBm）表示，并且衰減器的衰減量為AdB,那么輸出信號的功率關系可以表示為：衰減器的理論設計本題衰減器是雙端口結構，電路利用π型電阻來設計，如圖1-5所示。其中Z1、Z2即是電路輸入、輸出端的特性阻抗。Z1RsZ2P1P2圖2-2π型衰減器框圖其中，Z1、Z2是電路輸入、輸出端的特性阻抗。根據電路兩端阻抗使用的不同，又可分為同阻抗式和異阻抗式。我們使用π型同阻抗式，數據如下：π型同阻抗式2．π型異阻抗式其中Rs,RP1,RP2也可根據上面推出的公式算出，公式如下：QUOTE錯誤！未找到引用源。其中RP1=R1,Rs=R2衰減器是一個功率耗散元件,當輸出端匹配負載Zc時，衰減量與功率的關系可以表示為：其中：P1為輸入功率，P2為輸出功率。衰減器模塊的設計制作我們采用同阻、輸入輸出特性阻抗為50Ω的形式。所以在輸入輸出端相連的傳輸線的特性阻抗均為50Ω。衰減器是純電阻網絡。電阻的特性是：隨著工作頻率的升高。電阻的電感效應會逐步明顯。因此，功率衰減器在較高頻段工作時，實際的衰減量會有部分下降。按照設計公式計算出的電阻，會出現小數的情況，有的電阻值需由兩個電阻并聯獲得。所選電阻與計算值之間的誤差控制在±0.5Ω。40dB、π型同阻抗式固定衰減器。（Z1=Z2=50Ω）根據以上述公式計算得：實際電路如圖2-3所示。50Ω2.5KΩ50Ω51Ω51Ω圖2-340dBπ型衰減器LC諧振放大網絡設計高頻LC諧振功率放大器原理及特性分析圖2-4諧振功率放大器的基本電路1.LC諧振功率放大器原理圖2-6是一個采用晶體管的高頻功率放大器的原理線路。除電源和偏置電路外，它是由晶體管，諧振回路和輸入回路三部分組成。高頻功放中常采用平面工藝制造的NPN高頻大功率晶體管，它能承受高電壓和大電流，并有較高的特征頻率。晶體管作為一個電流控制器件，它在較小的激勵信號電壓作用下，形成基極電流iB，iB控制了較大的集電極電流iC，iC流過諧振回路產生高頻功率輸出，從而完成了把電源的直流功率轉換為高頻功率的任務。為了使高頻功放以高效輸出大功率，常選在丙類狀態下工作，為了保證在丙類工作，基極偏置電壓應使晶體管工作在截止區，一般為負值，即靜態時發射結為反偏。此時輸入激勵信號應為大信號，一般在0.5V以上，可達1到2V，甚至更大。晶體管的作用是將供電電源的直流能量轉變為交流能量的過程中起開關控制作用。線路特點：(1)LC諧振回路作為晶體管的負載起到選頻濾波以及阻抗匹配的作用。(2)電路工作在丙類工作狀態以保證電路效率較高；基極負偏壓（或零偏壓）。關系式：(1)外部電路關系式：(2)晶體管的內部特性:(3)（半）導通角：根據晶體管的轉移特性曲線可得：即集電極的導通角是由輸入回路決定的。必須強調指出：集電極電流ic雖然是脈沖狀，但由于諧振回路的這種濾波作用，仍然能得到正弦波形的輸出。2.高頻功率放大器的特性曲線圖2-5諧振功率放大器的轉移特性曲線功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號來控制集電極的直流電源所供給的直流功率PO，使之一部分轉變為交流信號功率p1輸出去，另一部分功率以熱能形式消耗在集電極上，成為集電極耗散功率PC。根據能量守衡定理：直流功率：輸出交流功率：-回路兩端的基頻電壓-基頻電流-回路的負載阻抗圖解分析法的步驟：(1)測出晶體管的轉移特性曲線及輸出特性曲線，并將這兩組曲線折線化處理(2)作出不同工作狀態下的動態特性曲線；(3)根據激勵電壓Ub的大小在特性曲線上畫出對應輸出電壓UC和電流脈沖的波形；(4)分析功放的外部特性，即分析放大器的外部供電電壓或負載的變化將如何影響輸出電壓、輸出電流、輸出功率、效率等指標的。由圖可見，在放大區，有轉移特性方程：所以，集電極電流隨激勵而正向變化。在飽和區，集電極電流只受集電極電壓的控制，而與基極電壓無關。因此有臨界線方程：在截止區，有方程：ic=0(當時)圖2-6晶體管的輸入和輸出特性曲線諧振功率放大器的動態特性曲線（負載線）高頻放大器的工作狀態是由負載阻抗、激勵電壓、供電電壓等4個參量決定的。如果,3個參變量不變，則放大器的工作狀態就由負載電阻決定。此時，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨而變化的特性，就叫做放大器的負載特性。所謂動態特性是和靜態特性相對應而言的，在考慮了負載的反作用后，所獲得的的關系曲線就叫做動態特性。圖2-7功率及效率隨負載變化的波形高頻LC諧振功率放大器電路設計1)實驗電路參數晶體管9018的主要參數為：交流電壓放大倍數：min=100,max=400輸出交流電壓峰-峰值：中心頻率：15MHz最大耗散功率：625mv集電極-基極擊穿電壓：30V集電極-發射極擊穿電壓：30V發射極-基極擊穿電壓：6V最大集電極電流：30mA特征頻率：100MHZ集電極電容：11pf電阻電容及電感參數見電路圖。2)高頻LC諧振功率放大器設計電路圖2-8放大電路設計圖注：仿真實驗圖用mps3707代替9018設計，效果相同。電源系統設計關于電源我們使用LM317芯片穩壓，使電壓值穩定輸出為3.6v，以達到題目要求。1）LM317數據資料：◆特性簡介

可調整輸出電壓低到1.25V。

保證2.2A輸出電流。

典型線性調整率0.01%。

典型負載調整率0.1%。

80dB紋波抑制比。

輸出短路保護。

過流、過熱保護。

調整管安全工作區保護。

標準三端晶體管封裝。◆電壓范圍

LM3171.25V至37V連續可調。◆封裝形式

TO-220塑料封裝，TO-3鋁殼封裝，TO-202塑料封裝，TO-39金屬封裝◆極限參數耗散功率內部限制

輸入/輸出壓差+40V，-0.3V

工作溫度范圍LM117-55℃至+150℃

LM3170℃至+125℃

儲藏溫度范圍-65℃至+150℃

引腳溫度

（焊接時）金屬封裝+300℃，10秒

塑料封裝+260℃，4秒

靜電級別2kVLM317輸出電壓計算LM317的輸出電壓可以從1.25V連續調節到37V，其輸出電壓值可由式(1)算出:值得注意的是，LM317T有一個最小負載電流的問題，即只有負載電流超過某一數值時，他才能起到穩壓的作用。這個電流隨器件的生產廠家不同在3～8mA不等，這個可以通過在負載端口外接一個合適的電阻來解決。系統測試及仿真Multisim11仿真軟件簡介及概述Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力，其優秀功能如下：※直觀的捕捉和功能強大的仿真：NIMultisim軟件結合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。憑借NIMultisim，您可以立即創建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業標準SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業的高級SPICE分析和虛擬儀器，您能在設計流程中提早對電路設計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環。與NILabVIEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強大技術的設計流程，從而能夠比較具有模擬數據的實現建模測量。NIMultisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設計的EDA工具軟件。作為Windows下運行的個人桌面電子設計工具，NIMultisim是一個完整的集成化設計環境。NIMultisim計算機仿真與虛擬儀器技術可以很好地解決理論教學與實際動手實驗相脫節的這一問題。學員可以很方便地把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實的再現出來，并且可以用虛擬儀器技術創造出真正屬于自己的儀表。NIMultisim軟件絕對是電子學教學的首選軟件工具。※直觀的圖形界面整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和數據、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的；操作方式都與實物相似，測量※豐富的元器件提供了世界主流元件提供商的超過17000多種元件，同時能方便的對元件各種參數進行編輯修改，能利用模型生成器以及代碼模式創建模型等功能，創建自己的元器件。※強大的仿真能力以SPICE3F5和Xspice的內核作為仿真的引擎，通過Electronicworkbench帶有的增強設計功能將數字和混合模式的仿真性能進行優化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、電路向導等功能。※豐富的測試儀器提供了22種虛擬儀器進行電路動作的測量Multimeter(萬用表)：FunctionGeneratoer(函數信號發生器)、Wattmeter(瓦特表)Oscilloscope(示波器)、BodePlotter(波特儀)、WordGenerator(字符發生器、LogicAnalyzer(邏輯分析儀)、LogicConverter(邏輯轉換儀)、DistortionAnalyer(失真度儀)、SpectrumAnalyzer(頻譜儀)、NetworkAnalyzer(網絡分析儀)、MeasurementPribe(測量探針)、FourChannelOscilloscope(四蹤示波器)、FrequencyCounter(頻率計數器)、IVAnalyzer(伏安特性分析儀)、AgilentSimulatedInstruments(安捷倫仿真儀器)、AgilentOscilloscope(安捷倫示波器)、TektronixSimulatedOscilloscope(泰克仿真示波器)、Voltmeter(伏特表)Ammeter(安培表)、CurrentProbe(電流探針)、LabVIEWInstrument(LabVIEW儀器)這些儀器的設置和使用與真實的一樣，動態互交顯示。除了Multisim提供的默認的儀器外，還可以創建LabVIEW的自定義儀器，使得圖形環境中可以靈活地可升級地測試、測量及控制應用程序的儀器。※完備的分析手段Multisimt提供了許多分析功能：DCOperatingPointAnalysis（直流工作點分析）、ACAnalysis（交流分析）、TransientAnalysis（瞬態分析）、FourierAnalysis（傅里葉分析）、NoiseAnalysis（噪聲分析）、DistortionAnalysis（失真度分析）、DCSweepAnalysis（直流掃描分析）、DCandACSensitvityAnalysis（直流和交流靈敏度分析）、ParameterSweepAnalysis（參數掃描分析）TemperatureSweepAnalysis（溫度掃描分析）、TransferFunctionAnalysis（傳輸函數分析）、WorstCaseAnalysis（最差情況分析）PoleZeroAnalysis（零級分析）、MonteCarloAnalysis（蒙特卡羅分析）、TraceWidthAnalysis（線寬分析）、NestedSweepAnalysis（嵌套掃描分析）、BatchedAnalysis（批處理分析）、UserDefinedAnalysis（用戶自定義分析）它們利用仿真產生的數據執行分析，分析范圍很廣，從基本的到極端的到不常見的都有，并可以將一個分析作為另一個分析的一部分的自動執行。※獨特的射頻(RF)模塊提供基本射頻電路的設計、分析和仿真。射頻模塊由RF-specific（射頻特殊元件，包括自定義的RFSPICE模型）、用于創建用戶自定義的RF模型的模型生成器、兩個RF-specific儀器（SpectrumAnalyzer頻譜分析儀和NetworkAnalyzer網絡分析儀）、一些RF-specific分析（電路特性、匹配網絡單元、噪聲系數）等組成；※完善的后處理對分析結果進行的數學運算操作類型包括算術運算、三角運算、指數運行、對數運算、復合運算、向量運算和邏輯運算等；Ø詳細的報告能夠呈現材料清單、元件詳細報告、網絡報表、原理圖統計報告、多余門電路報告、模型數據報告、交叉報表7種報告；※兼容性好的信息轉換提供了轉換原理圖和仿真數據到其他程序的方法，可以輸出原理圖到PCB布線（如Ultiboard、OrCAD、PADSLayout2005、P-CAD和Protel）；輸出仿真結果到MathCAD、Excel或LabVIEW；輸出網絡表文件；向前和返回注；提供InternetDesignSharing（互聯網共享文件）。因此，Multisim11仿真軟件對于需要仿真電路的要求是綽綽有余的。在本次比賽中我們用此軟件進行電路的仿真，及獲得處理數據。功率衰減器的仿真及處理衰減器電路原理圖及設計分析圖4-1衰減器原理圖圖4-2衰減器數據分析圖根據原理圖及仿真獲得的數據圖的數據分析得：當輸入振幅為5mvp時，輸入電壓峰值為Ui=7.071mvp，經過衰減器后，電壓輸出峰值為Uo=72.634μv，故其衰減倍數:衰減量：符合題目要求的衰減量40±2dB的指標。高頻諧振功率放大器電路的仿真與分析圖4-3放大電路仿真圖中心頻率的確定當輸入頻率為15MHz時，仿真圖如下：圖4-4當頻率由15MHz下降100KHz時，仿真圖如下：圖4-5本仿真圖說明當頻率由15MHz下降了100KHz后，輸出信號幅度下降，且信號明顯。當頻率由15MHz上升200KHz時，仿真圖如下：圖4-6此圖說明當頻率由15MHz上升了200KHz后，輸出信號幅度下降，且比較明顯。綜合（1）、（2）、（3）可得：當頻率在15MHz時輸出穩定，而當頻率增加或者下降100Khz左右時，輸出信號明顯下降，由此可以得出本放大器電路網絡的中心頻率在15MHz左右，符合題目要求，且偏差基本符合題目要求。輸入內阻Rin的確定根據電路仿真圖我們可以得到輸入信號為15MHz，幅度為50μvp電壓值時的輸入電壓，輸入電流，以及輸出電壓電流值如下圖所示。圖4-7輸入電壓電流根據輸入內阻與輸入電壓電流的關系我們可以計算出內阻大小為：故其輸入內阻Rin為48.53Ω與要求50Ω基本吻合。放大增益的確定根據仿真電路圖顯示可估算出放大增益，仿