高增益LC諧振放大器的設計
摘要：
采用分立元件設計了一個3級單調諧放大器，可用于通信接收機的前端電路，通過合理分配各級增益和多種措施提高抗干擾性，具有中心頻率容易調整、穩(wěn)定性高的特點。電路經實際測試表明具有低功耗、高增益和較好的選擇性。
0前言
高增益LC諧振放大器在通信電子系統(tǒng)中有著重要的用途，通常應用在通信接收機的前端，對接收機的靈敏度、抗干擾性和選擇性等整機指標有關鍵性影響。多級LC諧振放大器由于具有輸入信號弱、頻率高、易受干擾、容易自激等特點，電路設計時涉及到電源濾波及退偶電路、級間耦合電路、阻抗匹配電路、選頻電路及其等效Q值和抗干擾措施等對電路整體的影響。本文設計的放大器具有增益和中心頻率可調、低功耗、選擇性好的特點。
1電路原理及設計思路
高頻小信號調諧放大器對中心頻率的信號具有最大放大能力，中心頻率為：
單調諧放大器的增益為：
式（2）中，ri為晶體管的輸入電阻，QL是回路的有載品質因素，RL是晶體管集電極等效負載電阻，如果負載電感帶中心抽頭則需要將下一級電路的輸入電阻折合到前級的負載電阻。選用高β值的晶體管，提高晶體管的靜態(tài)工作點，提高回路的等效品質因素均可提高增益。
不過QL太高會使通頻帶太窄，反而可能引起自激，降低放大器的穩(wěn)定性。
實際設計中，為了提高放大器增益，通常采用多級單調諧放大電路級聯(lián)。n級相同放大器級聯(lián)后的帶寬和矩形系數(shù)為：
從式（3）、（4）可以看出，3級放大器的帶寬約是單級的一半，矩形系數(shù)是3.74.多級放大器的帶寬和矩形系數(shù)比單級放大器都要小。說明多級電路選擇性更好，但電路也趨于不穩(wěn)定。
減小帶寬和矩形系數(shù)的值可以提高電路的選擇性，由式（3）、（4）分析，增加QL和電路級數(shù)n可以滿足要求，前者可以通過提高電感的繞制工藝實現(xiàn)，但如果QL太高則容易引起自激，不利于放大電路的穩(wěn)定；n增加則增加了電路的復雜性，不但使電路元器件增加，而且調試過程加倍繁瑣。本設計采用3級單調諧電路，制作和實測結果令人滿意。
2電路設計過程
單級電路圖如圖1所示。晶體管使用2SC3355，該晶體管具有特征頻率高（6.5GHz）、結電容小的優(yōu)點，可以保證所設計電路的穩(wěn)定性。先設計靜態(tài)工作點，電源電壓3.6V，假設R1=75kΩ，晶體管T的基極電壓是R1和R2的分壓，為確保晶體管T在放大狀態(tài)，考慮到低功耗，VB可設為1.0V左右，R2=33kΩ。射極電阻R4和R5的串聯(lián)構成串聯(lián)電流負反饋，起到穩(wěn)定直流工作點的作用。R4取1kΩ，R5使用2kΩ的多圈電位器，通過調整其值可以調整靜態(tài)工作點，一方面可改變增益，另一方面可調整放大器的穩(wěn)定性。旁路電容C3取1000pF，以減小對交流增益的影響。電容C2 （51pF）確定后，根據(jù)公式（1）計算電感值，我們自行繞制了帶中心抽頭的可調電感，用Ф0.18mm的漆包線在中周骨架上饒14匝，7匝處抽出，通過電容耦合回路接入下一級放大器，回路諧振頻率在15MHz附近，使用中間抽頭的電感器可將較大的前級放大器輸出阻抗與后級電路較小的輸入阻抗相匹配。R3并聯(lián)在LC諧振回路兩端降低了回路的Q值，可有效防止電路自激，當然這樣也降低了選擇性和電路總增益。實際R3值的選擇需要在增益和穩(wěn)定性上取折衷值。單級放大器增益調節(jié)范圍10～30dB.
放大器的電源退耦濾波和級間耦合回路設計是個難點，同時也是重點考慮的問題，如果設計不當，則多級電路很容易產生自激振蕩。電源濾波采用π型非對稱電路，可以有效抑制高頻信號對直流電源的影響，該濾波電路的位置很重要，須靠近晶體管集電極并處于晶體管和電源之間。級間耦合電路采用兩個電容的并聯(lián)，可以有效消除自激和提高電路的穩(wěn)定性。在放大器輸入端需要設計阻抗匹配電路，將信號源內阻與放大器輸入阻抗相匹配。輸出端與負載之間接匹配電路可以提高傳輸?shù)截撦d上的功率。阻抗匹配電路的設計使用Smith圓圖，采用L型匹配網絡。
當采用多級電路耦合時，為了確保放大器的穩(wěn)定性和選擇性，實際調試時可將第一級電路的諧振頻率設為稍低于15MHz，第二級電路的諧振頻率調為15MHz，第三級電路的諧振頻率稍高于15MHz，多級聯(lián)調時用掃頻儀可很快完成調試。特別要說明的是，每級放大器均需要單獨設計電源濾波和退耦網絡，而且每級放大電路的靜態(tài)工作點均不同，需要實際調試確定。三級放大器完整的電路如圖2所示。
3測試結果
測試線采用一端Q9接口，一端SMA接口的高頻屏蔽同軸電纜，經使用高頻信號發(fā)生器AS1054和示波器TDS2012B測試，當輸入信號15MHz，1mVrms時，三級放大器的電壓增益分別是25dB、28dB和28dB，200Ω負載上的電壓增益可達81dB，改變輸入信號幅度，輸出電壓最大可達1Vrms而無明顯的波形失真，此時的電源功耗僅為75mW.用數(shù)字合成掃頻儀SP31000測試放大器的諧振曲線，帶寬280kHz，矩形系數(shù)為4.8，表明放大器具有低功耗、高增益、良好的穩(wěn)定性和較好的選擇性。
需要注意的是，由于芯片柵極結構，粒子輻射損害在絕緣層引起一定的電荷積累，隨總劑量效應增加，勢阱界面電荷積聚增加，這種效果導致CCD上的有效電壓改變，其中一個很重要的參數(shù)是ФCh0，零級門電壓的通道勢能，這個數(shù)值對于TH7890M器件大概是10V或11V.試驗結果表明，輻射損害在感興趣的水平內對CCD響應沒有顯著影響。
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