高頻小信號的低功耗LC諧振放大器電路設(shè)計(jì)思路

高頻小信號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)等無線通信的前段接收機(jī)中，其對接收機(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。

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

本文需設(shè)計(jì)并制作一個低功耗 LC 諧振放大器，要求滿足的條件：(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 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：信號經(jīng)衰減網(wǎng)絡(luò)后得到一個微弱信號，通過電壓跟隨器進(jìn)行阻抗匹配，再輸入給一級放大電路，放大后的信號在通過電壓放大器進(jìn)行阻抗匹配的同時也能起到放大的作用，再通過二級放大電路，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，但是對于高頻小信號，無源衰減網(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并加以放大。諧振部分采用經(jīng)典的無源 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 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，并通過兩級放大實(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)了在兩級放大電路間的一個匹配電路，同時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 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，防止外界干擾與級間串?dāng)_。端口采用 SMA 接頭的高頻屏蔽同軸電纜，高頻信號發(fā)生器使用 EE1412F 型合成(DDS)函數(shù)信號發(fā)生器，示波器采用 TDS2012B 測試。 當(dāng)輸入信號為 12MHz、1mVrms 時，兩級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，且波形無明顯失真，滿足了設(shè)計(jì)要求。