【本科组】
摘 要 为了更好地完成题目要求的设计指标,以两级单调谐LC谐振回路放大器为设计核心，首先通过40dB衰减器对高频小信号进行衰减，然后采用LC谐振回路放大器、甲类放大电路和射极跟随器级联电路对衰减后的微弱信号进行放大并提高系统带载能力，最后采用分立器件搭建了AGC电路。在题目要求的测试条件下，前级衰减器衰减量为40.9dB，放大器增益81.2dB，谐振频率为14.9MHz，200Ω负载时，其输出功耗为216mW。测试结果表明，本作品基本完成竞赛测试指标，提高了创新实践能力，积累了大量实际调测的经验，达到了锻炼和学习的目的。lc谐振
关键字微弱信号放大衰减器LC谐振放大器 AGC
LC 谐振放大器（D题）
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【本科组】
1 系统方案
本系统主要由三个模块组成：40dB衰减器模块、两级单调谐放大器模块、后级输出放大器模块，其中两级单调谐放大器是设计的重点所在，也是难点所在。同时为了满足中心频率与通频带的要求，必须使用Q值大的中周，因此中周的绕制也是一大难点。下面分别论证这几个模块的选择。
1.1 40dB固定衰减器的论证与选择
方案一：有源二阶带阻滤波器。通过选取适当的新型混凝土搅拌机R和C，将带阻频点固定在15MHz，并且使衰减器的频带与放大器的频带相适应。但是由于集成运算放大器的使用，其特性阻抗难以达到题目要求的50欧姆，所以不予采用。
方案二：π型电阻网络衰减器。π型电阻衰减网络能够通过选取合适的电阻值来达到题目所要求的特定阻抗，并且其衰减系数能够达到题目要求40dB。
综合以上两种方案，选择方案二。
1.2 电伴热管缆LC谐振电路的论证与选择
方案一：双调谐回路谐振放大。采用双调谐回路的放大器，其频率响应在通频带内可以做得较为平坦。双调谐放大器在临界耦合状态时，选择性比单调谐放大器选择性好。使用耦合谐振回路可以得到更好的性能，双调谐由两个相互耦合的谐振回路组成，两个谐振回路可以通过互感耦合，也可以通过电容耦合。但是其电路复杂，调节困难，稳定性也差，其在实现上有一定的困难。
方案二：两级单调谐回路谐振放大。多级单调谐回路谐振放大电路的选择性等于各级选择性的乘积。因此，增加级数可以有更好的选择性。并且通频带能进一步减小，达到题目要求。同时矩形系数也增大。在单级谐振回路的基础上再增加一级谐振回路，三极管选用高频三极管3dg6。
综合以上两种方案，选择方案二。
1.3 后级输出放大放大器的论证与选择
方案一：甲乙类推挽放大电路。甲乙类推挽放大电路当中，两个三极管均工作在甲乙类工
作状态，输出功率和效率均很高，但是由于题目要求3.6V稳定电源供电，所以必须使用单电源供电的互补功率放大电路。
方案二：普通甲类功率放大电路级联射极跟随器放大电路。普通甲类功率放大电路中，三极管工作在甲类放大状态，其静态工作点较高，输出功率大，并在其后级加入一个射极跟随器，进一步提高了其输出功率和带负载能力。
比较两个方案，第二个方案构建简单，而且能够满足题目要求，综合考虑采用方案二。
1.4 AGC的方案论证与选择
方案一：采用集成电路芯片搭建AGC电路。选择高性能可变增益放大器，输入信号从低频到500MHz带宽内增益均是以分贝为单位线性变化，再添加匹配网络和适当的电路，就可以搭建AGC电路。但是需使用多块芯片无法使用3.6V供电且电路复杂。
方案二：采用三极管模拟电路加上二极管检波来达到电压增益控制的目的。通过加入反馈电阻，使输出信号通过检波二极管反馈到三极管。当输出信号波动变大时，输入端信号减小，从而反馈使输出保持不变。
综合考虑采用方案二。
2 系统理论分析与计算
2.1 放大器系统指标的分析
2.1.1 40dB衰减器理论分析
40dB衰减器由π型电阻网络搭建，在电阻阻值精确的前提下，考虑电阻在高频情况下的电容电感效应，根据π型电阻衰减网络电路计算公式，，得到R1=R2=51Ω，R3=2.5KΩ。
2.1.2 两级单调谐谐振回路理论分析
针对该放大电路中，输入信号小，放大倍数大的特点，采用高频、低噪声、高β的三极管3dg6。选择谐振电容和中周使谐振频率稳定在15MHz附近，放大器的增益为,根据谐振频率公式，选取23ｐＦ电容,电感5ｕＨ，代入计算的其放大倍数约为1090倍，且谐振频率为15MHz,足以满足题目要求。
2.1.3 后级输出放大器的理论分析
为了提高输出功率和电路带负载能力，本模块使用普通甲类功率放大电路和射极跟随器放大电路，选择具有带负载能力强，输出电路增益高的三极管C3355，通过普通甲类功率放大电路提高其输出功耗，利用射极跟随器3DG12提高其带负载能力，由普通甲类功率放大电路和射极跟随器的增益计算公式，得到该级放大电路的增益为26dB,与前级谐振放大电路级联，足以满足题目提高要求。
2.1.4 系统谐振频率
系统的谐振频率主要由谐振回路电感值以及电容值决定，谐振回路当中的电容值选取23ｐ
Ｆ，电感值为5ｕＨ，理论的谐振频率为14.9ＭＨｚ，在题目谐振误差允许范围内，与题目要求相符。
2.1.5 系统带宽与矩形系数
系统当中对输入信号实现选频的主要部分是两级单调谐谐振回路，根据多级级联单调谐谐振放大电路的选频特性，其中n取2，f0去15MHz,选取适当Q值约为32的电感，通过计算，其带宽约为300KHz,满足题目要求。
2.1.6 矩形系数
如果两级级联的单调谐放大电路的谐振频率一致的前提下，根据多级级联单调谐谐振回路放大电路的选频特性，矩形系数的表达式为，其中n=2,得到矩形系数的理论值为3.15，两级谐振放大电路在一定程度上能够减少回路的矩形系数。
2.1.7 AGC增益控制电路
根据AGC 控制电路理论，从末级放大器输出取出信号，利用三极管8550，二极管等元件进行整流变成直流。进行负反馈到谐振放大器的基极，去控制三极管的直流工作点，达到AGC 的功能。
3 电路设计
3.1 系统总体思路与框图
本系统由一个固定40dB的电阻网络衰减器、两级单调谐的谐振放大器、后级的输出功率放大器以及一个AGC电路组成。
系统总体框图如图所示：
图1 系统总体框图
3.2 穿孔塞焊40dB衰减器
40dB衰减器由纯阻网络搭建，在电阻阻值精确的前提下，并考虑电阻在高频情况下的电容电感效应，得到其衰减系数为40dB。
其电路图如图所示，图中R1，R2，R3的取值分别为51Ω，2.5KΩ，51Ω，通过计算，其特性阻抗为50Ω，其衰减量为40dB,衰减量及特性阻抗均符合题目要求。
图二 40dB衰减器
3.3 LC振荡放大器
为了达到题目要求的放大倍数和带宽，必须使用多级放大电路。本设计采用了两级LC单调谐回路级联甲类功率放大电路的方式。前级的调谐回路主要承担选频和放大的作用，后级的功率放大电路提高带负载能力。
3.3.1 多级单调谐谐振回路
由高频三极管3dg6为核心器件搭建，采取高增益的共射组态，选择适当的LC值使谐振回路中心频率为15M。并且使用两级级联，不仅增大了放大倍数，而且能更好地满足通频带以及矩形系数的要求。
图三两级谐振放大器
3.3.2 后级输出放大器
后级输出放大器由普通甲类功率放大电路和射极跟随器搭建，甲类功率放大电路可以满足题目3.6V供电的要求，同时增加了射级跟随器，增加了带负载能力。通过选取合适的静态工作点和射极电阻，可以满足题目的发挥要求。
图四后级输出放大器
3.4 AGC电路
AGC电路采用分立元件组成，以满足电源电压3.6V的要求。电路使用三极管和专用的检波二极管来达到电压增益控制的目的。通过加入反馈电阻，使输出信号通过检波二极管反馈到三极管。
图五 AGC电路
3.5 输出最大不失真电压及功耗
为了降低功耗，本设计放弃了集成电路芯片，使用的元件均为低功耗的分立元件，这样大大减小了所需要的电流，在一共的三级级联电路中，总电流之和能够控制在50mA以内，满足题目要求。同时通过调整各级电路的静态工作点，在不减小放大倍数的前提下，可以进一步的减小集电极电流以及功率放大部分的带负载能力。
3.6 总体电路图设计
将各部分电路级联，两级调谐回路使用电感耦合方式，调谐回路和甲类功放之间使用电容耦合方式，尽量减少前后级的相互影响。电源部分在每级放大电路都加入电源滤波，前后级的电路电源之间使用退耦电感，防止交流信号干扰通过电源进入前级后级影响前后级的输出波形。
图六总体电路图
4 测试结果
4.1 测试方案
硬件测试测试环境：竞赛实验室，常温常湿度常压。
1）.测试供电电源：按照题目要求，采用3.6V直流稳压源供电，系统供电正常。
2）.供电电源正常工作之后，分别测试各个模块是否能够达到题目的要求，并且在测试时注意使用合适的负载电阻。
3）.各个模块都正常工作之后，使用射频线把各部分连为一体。在放大器的输出接200欧的负载，在输入端输入一个小于5mV的正弦信号使用网络特性分析仪观察电路的幅频特性。调节输入信号幅度，让输出电压有效值为1V，观察波形是否失真。同时。观察各个指标是否达到题目要求。
设备运维管理系统
4.2 测试条件与仪器
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。
表一：测试仪器
序号 | 名称 | 型号规格 | 生产厂家 |
1 | 数字示波器 | TSD1012 | 普源精电公司 |
2 | 网络分析仪 | E5071C | 美国安捷伦公司 |
3 | DDS函数发生器 | TFG2040G | 北京恒高仪讯科技有限公司 |
4 | 直流稳压源 | SS3323 | 北京恒高仪讯科技有限公司 |
5 | RLC测量仪 | TH2816A | 同惠电子有限公司 |
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4.3 测试结果及分析
1．40db衰减器测试：经测试40dB固定衰减器的频率特性平缓，可以认为对全频带实行衰减。
2．LC谐振放大器测试：
表二：放大器主要指标
谐振频率 | 增益 | 矩形系数 | 3dB带宽 | 10dB带宽 | 输出功耗 | 最大不失真电压 | 回路品质因数 |
14.9MHz | 82.6dB | 2.7 | 692KHz | 1.92MHz | 216mW | 1.15V(有效值) | 21.53 |
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图七幅频特性曲线
根据上述测试数据以及理论分析，由此可以得出以下结论：
1、增益达到82.6dB,满足题目提高要求。
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