高頻小信號的低功耗LC諧振放大器電路設計

　　引言

　　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。它在通信電子系統中有著(zhù)重要的用途，通常應用在廣播、電視、通信、雷達等無(wú)線(xiàn)通信的前段接收機中，其對接收機的靈敏度、抗干擾性和選擇性等整機指標有關(guān)鍵性影響。

　　高頻小信號放大的理論比較簡(jiǎn)單，但實(shí)際制作卻非常困難。其中最容易出現的問(wèn)題是自激振蕩，同時(shí)頻率選擇和各級間阻抗匹配也很難實(shí)現。因此，電路設計時(shí)，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。

　　本文需設計并制作一個(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計，采用了NI MulTIsim電路仿真軟件進(jìn)行輔助設計。

　　1 系統方案設計

　　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(gè)微弱信號，通過(guò)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(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)二級放大電路，從而實(shí)現高增益、低損耗的 LC 諧振放大功能。系統框圖如圖一所示：

　　圖一 系統框圖

　　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引入一預定衰減的電路，一般以所引入衰減的分貝數及其特性阻抗的歐姆數來(lái)標明。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(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成的，電路簡(jiǎn)單穩定。本模塊的另一部分就是放大，也是關(guān)鍵的一步。本設計要求使用 3.6V 的穩壓電源，功耗不超過(guò) 360mW 的放大器。根據要求，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(guò)兩級放大實(shí)現增益的要求。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，就是放大倍數恒小于且接近 1。電壓跟隨器的顯著(zhù)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計了在兩級放大電路間的一個(gè)匹配電路，同時(shí)也起到了隔離的效果。本文設計的電壓跟隨器采用運放 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壓電源，本文設計了一個(gè) 3.6V 的穩壓直流電源，采用的 LM317 穩壓芯片。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，仿真結果如圖七所示。

　　圖六 整體電路圖

　　圖七 仿真結果圖

　　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擾。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)函數信號發(fā)生器，示波器采用 TDS2012B 測試。 當輸入信號為 12MHz、1mVrms 時(shí)，兩級放大器的電壓增益分別為 19dB、22dB，最終負載上的電壓增益可達 41dB，且波形無(wú)明顯失真，滿(mǎn)足了設計要求。