低功耗高频小信号放大器设计

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1 LC谐振放大器原理
        如图1是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路。除偏置电路和电源外，其主要是由晶体管，谐振回路和输入回路三部分组成。高频功放中常采用平面工艺制造的NPN高频大功率晶体管，它能承受高电压和大电流，并有较高的特征频率fT.晶体管作为一个电流控制器件，它在较小的激励信号电压作用下，形成基极电流iB，iB控制了较大的集电极电流iC，iC流过谐振回路产生高频功率输出，从而完成了把电源的直流功率转换为高频功率的任务。为了使高频功放以高效输出大功率，常选在丙类状态下工作，为了保证在丙类工作，基极偏置电压应使晶体管工作在截止区，一般为负值，即静态时发射结为反偏。此时输入激励信号应为大信号，一般在0.5V以上，可达1到2V，甚至更大。晶体管的作用是将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。
       
        1.1线路特点
        （ 1） LC谐振回路作为晶体管的负载起到选频滤波以及阻抗匹配的作用；
        （ 2）电路工作在丙类工作状态以保证电路效率较高；基极负偏压（或零偏压）。
        1.2各部分关系式
       
        2 电路方案设计
        2.1总体设计思路
         
        设计分为电源电路，衰减电路以及主要的谐振放大电路。电源部分采用直流稳压的技术输出稳定的电源电压；衰减部分采用高精度的电阻组成一个40dB的固定衰减器插入到放大器的输入端，方便于测试；谐振放大电路以晶体管为核心，以LC谐振回路作为晶体管的负载起到选频滤波以及阻抗匹配的作用。但要注意的是放大电路是由输入信号的频带来确定，为了不失真地放大，要求放大电路的通频带应大于信号的频带。在具体设计时可根据衰减程度的要求采用一级或多级放大，本设计采取的是三级LC谐振放大。总体电路框图如同2所示。
       
        2.2电源电路的设计
        该电源电路为谐振放大器的制作提供了电源，为谐振的放大提供了基础。其电路设计如图3所示。
       
        从电路中可以看到，7805的输入输出端都接有电容，而且是一大一小，大容量电容是低频滤波作用，小容量电容是高频滤波用；然后在电路中加入稳压二极管使5V的电压转变为3.6V电压。该电源电路抗干扰性能好，稳压精度高，响应快，电路简单，工作可靠。
       
        2.3衰减电路设计
        该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，这种方法的衰减效果可以很好匹配下级电路，图中增加的两个电阻可以保持等效电阻不变。衰减电路的设计为谐振放大的测试提供了方便，同时为了达到3dB要求带宽，特性阻抗保持50欧，设计电路图采用精密电阻，以便有效提高衰减量精确度及减少温漂影响。该电路中的电阻可以选择可变电阻，使衰减程度可调。其电路设计如图4所示。
       
        2.4 LC谐振功率放大器电路设计
        晶体管选择2N2222A，其主要参数为： VCC = 12V，PC = 0.5W，Icm = 0.8A主要技术指标：增益不小于60dB，输出交流电压峰－峰值： VOP－P＞2V（ RL = 2kΩ），中心频率： 15MHz，通频带宽：≥±250KHZ（－3dB）。
       
        根据功率放大器设计原理，所设计电路如图5所示。
       
       
        3功率放大器主要技术指标分析计算
       
        3.1中心频率
        根据LC谐振功放输出波特图和输出的波特参数可知中心频率为13.3448MHz.
         
        3.2放大倍数
        根据Lc谐振功放输入输出电压，如图8可以确定输入电压为350mV，输出电压为10.2214V.所以，其放大倍数Au = 10.2214V/350m = 29.21
         
        3.3通频带
        根据图9、10可以确定，该LC谐振功放通频带B = X1－X2 = 15.6792M－12.5917M = 2.08M.
         
        4电路的测试
         
        4.1测试仪器与方法
        （ 1）测试仪器： VC9805A万用表； SDS1022C数字示波器； SP1641B函数信号发生器/计数器。
       
        （ 2）测试方法：部分的测试方法：对各个电路进行测试，达到要求后拼接在一起；整体的测试方法：将
       
       
        各模块电路连起来，整机调试，并测量该系统的各项性能指标。
       
        4.2测试结果
        测试结果如图11、12所示。
       
         
        5结论
         
        通过对实际电路的分析，结合实际实验，并利用其它电路作为辅助，提出了一种制作低功耗谐振放大器的有效方法，解决了制作高频小信号放大器过程中经常出现的自激振荡，频率难以确定以及电路中各级间阻抗不匹配问题。