基于LC谐振器的高频小信号放大器的设计

fanyao-367090

引言

　　高频小信号放大器是放大中心频率在几百兆赫兹到几百千兆赫兹的高频小信号的放大器。它在通信电子系统中有着重要的用途，通常应用在广播、电视、通信、雷达等无线通信的前段接收机中，其对接收机的灵敏度、抗干扰性和选择性等整机指标有关键性影响。

　　高频小信号放大的理论比较简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。因此，电路设计时，需考虑到电源滤波、退偶电路、级间耦合电路、阻抗匹配电路及匹配电路对整体电路的影响。

　　本文需设计并制作一个低功耗 LC 谐振放大器，要求满足的条件：(1) 谐振频率 f0=12MHz，允许偏差±100kHz;(2) 增益不小于 40dB;(3) 输入电阻Rin=50Ω;(4) 在放大器的输入端插入一个 40dB 固定衰减器，特性阻抗 50Ω。为了便于放大器的设计，采用了NI Multisim电路仿真软件进行辅助设计。

　　1 系统方案设计

　　高频小信号放大器主要由衰减网络模块、LC 谐振放大模块、电压跟随器模块和电源模块组成。工作流程为：信号经衰减网络后得到一个微弱信号，通过电压跟随器进行阻抗匹配，再输入给一级放大电路，放大后的信号在通过电压放大器进行阻抗匹配的同时也能起到放大的作用，再通过二级放大电路，从而实现高增益、低损耗的 LC 谐振放大功能。系统框图如图一所示：

　　图一 系统框图

　　2 模块分析

　　2.1 衰减网络模块

　　衰减器是一种在指定的频率范围内引入一预定衰减的电路，一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。经典的衰减器有 π 型、T 型和桥型衰减器，衰减效果较好，但是对于高频小信号，无源衰减网络选择 π 型或 T 型网络更加适合。本文选择 π 型电阻型网络做衰减，如图二所示：

　　图二 π 型衰减网络图

　　2.2 LC 谐振放大模块

　　LC 谐振放大器由 LC 谐振回路和放大器两部分组成，可以用于选出有用频率信号并加以放大。谐振部分采用经典的无源 LC 并联谐振电路，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的，电路简单稳定。本模块的另一部分就是放大，也是关键的一步。本设计要求使用 3.6V 的稳压电源，功耗不超过 360mW 的放大器。根据要求，本文选用了功耗较小的 2N2222 三极管，用于放大高频小信号，并通过两级放大实现增益的要求。放大电路如图三所示：

　　图三 放大电路图

　　2.3 电压跟随模块

　　电压跟随器是输出电压与输入电压相同的一种放大器，就是放大倍数恒小于且接近 1。电压跟随器的显著特点是输入阻抗高而输出阻抗低，在电路中可以起到缓冲、隔离、提高带载能力和阻抗匹配的作用。本文采用电压跟随器很方便地设计了在两级放大电路间的一个匹配电路，同时也起到了隔离的效果。本文设计的电压跟随器采用运放 OPA355 和两个阻值大小相等的电阻组成。电压跟随电路如图四所示：

　　图四 电压跟随电路图

　　2.4 电源模块

　　为了给放大电路和跟随电路提供稳压电源，本文设计了一个 3.6V 的稳压直流电源，采用的 LM317 稳压芯片。电路如图五所示：

　　图五 电源电路图

　　3 电路仿真与测试

　　整体电路如图六所示，仿真结果如图七所示。

　　图六 整体电路图

　　图七 仿真结果图

　　电路采用 protel 制图，制作出 PCB 板，并加上了一些屏蔽措施，防止外界干扰与级间串扰。端口采用 SMA 接头的高频屏蔽同轴电缆，高频信号发生器使用 EE1412F 型合成(DDS)函数信号发生器，示波器采用 TDS2012B 测试。 当输入信号为 12MHz、1mVrms 时，两级放大器的电压增益分别为 19dB、22dB，最终负载上的电压增益可达 41dB，且波形无明显失真，满足了设计要求。

阅读全文