高頻小信號(hào)的低功耗LC諧振放大器電路設(shè)計(jì)思路

高頻小信號(hào)放大器是放大中心頻率在幾百兆赫茲到幾百千兆赫茲的高頻小信號(hào)的放大器。它在通信電子系統(tǒng)中有著重要的用途，通常應(yīng)用在廣播、電視、通信、雷達(dá)等無(wú)線通信的前段接收機(jī)中，其對(duì)接收機(jī)的靈敏度、抗干擾性和選擇性等整機(jī)指標(biāo)有關(guān)鍵性影響。

高頻小信號(hào)放大的理論比較簡(jiǎn)單，但實(shí)際制作卻非常困難。其中最容易出現(xiàn)的問(wèn)題是自激振蕩，同時(shí)頻率選擇和各級(jí)間阻抗匹配也很難實(shí)現(xiàn)。因此，電路設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮到電源濾波、退偶電路、級(jí)間耦合電路、阻抗匹配電路及匹配電路對(duì)整體電路的影響。

本文需設(shè)計(jì)并制作一個(gè)低功耗 LC 諧振放大器，要求滿(mǎn)足的條件：(1) 諧振頻率 f0=12MHz，允許偏差±100kHz;(2) 增益不小于 40dB;(3) 輸入電阻Rin=50Ω;(4) 在放大器的輸入端插入一個(gè) 40dB 固定衰減器，特性阻抗 50Ω。為了便于放大器的設(shè)計(jì)，采用了NI Multisim電路仿真軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

高頻小信號(hào)放大器主要由衰減網(wǎng)絡(luò)模塊、LC 諧振放大模塊、電壓跟隨器模塊和電源模塊組成。工作流程為：信號(hào)經(jīng)衰減網(wǎng)絡(luò)后得到一個(gè)微弱信號(hào)，通過(guò)電壓跟隨器進(jìn)行阻抗匹配，再輸入給一級(jí)放大電路，放大后的信號(hào)在通過(guò)電壓放大器進(jìn)行阻抗匹配的同時(shí)也能起到放大的作用，再通過(guò)二級(jí)放大電路，從而實(shí)現(xiàn)高增益、低損耗的 LC 諧振放大功能。系統(tǒng)框圖如圖一所示：

圖一 系統(tǒng)框圖

2 模塊分析

2.1 衰減網(wǎng)絡(luò)模塊

衰減器是一種在指定的頻率范圍內(nèi)引入一預(yù)定衰減的電路，一般以所引入衰減的分貝數(shù)及其特性阻抗的歐姆數(shù)來(lái)標(biāo)明。經(jīng)典的衰減器有 π 型、T 型和橋型衰減器，衰減效果較好，但是對(duì)于高頻小信號(hào)，無(wú)源衰減網(wǎng)絡(luò)選擇 π 型或 T 型網(wǎng)絡(luò)更加適合。本文選擇 π 型電阻型網(wǎng)絡(luò)做衰減，如圖二所示：

圖二 π 型衰減網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 LC 諧振放大模塊

LC 諧振放大器由 LC 諧振回路和放大器兩部分組成，可以用于選出有用頻率信號(hào)并加以放大。諧振部分采用經(jīng)典的無(wú)源 LC 并聯(lián)諧振電路，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的，電路簡(jiǎn)單穩(wěn)定。本模塊的另一部分就是放大，也是關(guān)鍵的一步。本設(shè)計(jì)要求使用 3.6V 的穩(wěn)壓電源，功耗不超過(guò) 360mW 的放大器。根據(jù)要求，本文選用了功耗較小的 2N2222 三極管，用于放大高頻小信號(hào)，并通過(guò)兩級(jí)放大實(shí)現(xiàn)增益的要求。放大電路如圖三所示：

圖三 放大電路圖

2.3 電壓跟隨模塊

電壓跟隨器是輸出電壓與輸入電壓相同的一種放大器，就是放大倍數(shù)恒小于且接近 1。電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)是輸入阻抗高而輸出阻抗低，在電路中可以起到緩沖、隔離、提高帶載能力和阻抗匹配的作用。本文采用電壓跟隨器很方便地設(shè)計(jì)了在兩級(jí)放大電路間的一個(gè)匹配電路，同時(shí)也起到了隔離的效果。本文設(shè)計(jì)的電壓跟隨器采用運(yùn)放 OPA355 和兩個(gè)阻值大小相等的電阻組成。電壓跟隨電路如圖四所示：

圖四 電壓跟隨電路圖

2.4 電源模塊

為了給放大電路和跟隨電路提供穩(wěn)壓電源，本文設(shè)計(jì)了一個(gè) 3.6V 的穩(wěn)壓直流電源，采用的 LM317 穩(wěn)壓芯片。電路如圖五所示：

圖五 電源電路圖

3 電路仿真與測(cè)試

整體電路如圖六所示，仿真結(jié)果如圖七所示。

圖六 整體電路圖

圖七 仿真結(jié)果圖

電路采用 protel 制圖，制作出 PCB 板，并加上了一些屏蔽措施，防止外界干擾與級(jí)間串?dāng)_。端口采用 SMA 接頭的高頻屏蔽同軸電纜，高頻信號(hào)發(fā)生器使用 EE1412F 型合成(DDS)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，示波器采用 TDS2012B 測(cè)試。 當(dāng)輸入信號(hào)為 12MHz、1mVrms 時(shí)，兩級(jí)放大器的電壓增益分別為 19dB、22dB，最終負(fù)載上的電壓增益可達(dá) 41dB，且波形無(wú)明顯失真，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。