AGC中頻放大器的設計

概述　　
　　FD05型AGC中頻放大器模塊是用于通訊設備的具有AGC(自動(dòng)增益控制)功能的中波頻段小信號放大器，主要為散射凋制、解凋分系統配套。它可將微弱的中頻小信號通過(guò)外部可變的控制電壓放大為一個(gè)所需要的功率輸出，其中心頻率為70 MHz。

　　該產(chǎn)品的主要指標如下：

• 控制電壓：Vcon=0～3V
• 電源電流：Icc≤300 mA
• 輸出電壓：Vo=0.1～2V
• 輸出最大增益：KM≥60 dB
• 可控增益范圍：Avr≤55 dB
• 中心頻率：fo=68～72 MHz
• 頻帶寬度：BW=10～16 MHz
• 帶內平坦度：Fm≤±2 dB

該產(chǎn)品的環(huán)境可靠性指標如下：

• 電源電壓范圍：+12V±5％（典型值+12V）
• 外殼工作溫度范圍：一40～+85℃
• 存儲溫度范圍：一55～+125℃

　　此外，該產(chǎn)品采用雙列直插模塊式，外型尺寸不大于(66.5×46.8×15mm，適用于SJ20668—98微電路模塊總規范，產(chǎn)品可以每四個(gè)一組保持相同的線(xiàn)性控制電壓。

　　設計方案的確定

　　根據模塊的功能要求及環(huán)境要求，設計時(shí)首先初步確定了電路模式，并繪制出電路原理圖，然后進(jìn)一步分析原理框圖中所需的元器件，并借助EDA仿真來(lái)模擬分選元器件，以基本實(shí)現電路功能。

　　根據方案的設計，利用計算機平面化沒(méi)計制板，以厚膜工藝組裝，確定的主要工藝流程如圖1所示。



　　程序設計和電路原理

　　◇設計程序

　　首先可根據電路功能和該產(chǎn)品各工作部位的要求構畫(huà)出原理框圖和工藝流程，然后細化每一功能所需的元器件和輔助元件，并降額冗余選擇，保證元器件質(zhì)量的可靠性。

　　◇電路工作原理　　

　　H-FD05模塊的內部功能框圖如圖2所示。圖中中頻輸入信號經(jīng)隔離電容、匹配網(wǎng)絡(luò )放大后，由帶通濾波器濾除其它雜波，冉經(jīng)匹配放大，然后通過(guò)三級AGC電壓控制放大，最后經(jīng)末級放大隔離輸出(直流隔離)，使之達到60dB增益的中頻輸出?？紤]到噪聲和紋波的干擾，AGC控制電壓加了一級LC濾波網(wǎng)絡(luò )，各級之間均有隔離電容對直流進(jìn)行隔離，三級AGC電壓放大均由PIN微波二極管整形緩沖，+12V電源加到模塊內，各級均有濾波電容對供電電源進(jìn)行凈化，三級AGC放大均備有微調電容以消除信號振蕩和調整線(xiàn)性增益。


　　◇方案的論證和評審　　

　　根據該電路的原理、依據和工藝，可由相關(guān)專(zhuān)家對電路原理的信號流程，每個(gè)元器件的規格型號，尺寸進(jìn)行認真的分析，對一些有爭議的部位或元器件進(jìn)行一定的修正。濾波器一般應外接，以便于帶寬調整，使其電路比較完善，也便于后續工作的實(shí)施。

　　研制過(guò)程

　　◇元器件的選取　　

　　根據電路原理應選擇可靠元器件，并在集成電路中選擇滿(mǎn)足需要的功能。N1、N2 前級放大選用高精射頻放大器，N3、N4和N5選用高穩定度中頻放大集成電路，N6末級大放選用低溫度系數的表貼中頻功放，并要求使用溫度范同要寬，以滿(mǎn)足工作的可靠性。電阻均采用1％高精度厚膜電阻，功率電阻均勻分布，以保證高低溫及振動(dòng)沖擊的穩定性；PIN微波二極管選用耐壓高、特性一致、結電容小、全表貼型，并且配對使用；電容均采用高可靠的獨石電容，電源濾波電容采用高穩定的X7R和超陶電容相結合，以加強濾波效果；調諧整形電容選用高穩定度的 NP0片電容，保證寬溫下工作的低失真；電感選用高穩定的微型表貼電感，以確保小尺寸下的低溫升和線(xiàn)性輸出。

　　◇結構選擇　　

依據產(chǎn)品的小尺寸、輕重量、工作溫度范圍寬等要求，同時(shí)考慮到國產(chǎn)成熟的配套能力和單位為貫標生產(chǎn)線(xiàn)的現有標準結構，該產(chǎn)品開(kāi)始定為38線(xiàn)金屬殼焊封。由于輸出端子和外部調諧整形、測試端比較多，并且要求引出端有一定的忍性，故選用雙列排式引線(xiàn)結構，電源、輸入、輸出端子分開(kāi)排列，并增加了引出端子的接地屏蔽，使之達到用戶(hù)提出的要求。

　　◇改進(jìn)　　

　　為提高產(chǎn)品特性，使之準確反應放大器的功能，針對降低殼體尺寸和提高精度等要求，除考慮集成電路的應用范圍外，還對此采取了相應的轉換措施，重點(diǎn)解決表貼元器件的尺寸，使之殼體尺寸降為28線(xiàn)平行封焊，殼體尺寸從最大的66.5×46.8× 15mm降至41×28×6mm；另外還加強了PIN二極管的一致性配對(每塊三個(gè)，四塊一套共l2只)從而提高了產(chǎn)品的精度。

設計技術(shù)難點(diǎn)及解決措施

　　◇結構布局　　

　　該AGC中頻放大器的中心頻率為70 MHz(屬高頻范圍)，其結構布局非常重要。在電路設計初期，雖然根據引線(xiàn)尺寸結構和電路流程進(jìn)行了精細布局，縮短走線(xiàn)，靠近各引線(xiàn)端，控制線(xiàn)寬和線(xiàn)間距。但電路仍不理想，在信號衰減60dB時(shí)就被埋沒(méi)，信號為0dB、10dB時(shí)就有自激振蕩，通過(guò)大量的實(shí)驗和消自激電容的調整以及穿插接地，使之勉強在寬增益下達到輸出要求。但在殼體尺寸進(jìn)一步降低時(shí)，根據這些數據整理和前后級屏蔽地線(xiàn)分級隔離，重新布局繪制平面厚膜電路，尤其是相鄰強弱信號的地線(xiàn)屏蔽使其對微弱信號的干擾減少。另外，輸入、輸出分別設計在陶瓷基板的兩頭對角，內部電路流程設計成S走線(xiàn)，并如圖3所示分別隔離，最終才達到指標要求，即使這樣，在高低溫實(shí)驗時(shí)仍有不穩定現象。通過(guò)微調電容和殼體接地點(diǎn)實(shí)驗，終于發(fā)現殼體的影響和端口駐波反射、內部功率電阻對射頻放大器的干擾影響。經(jīng)過(guò)再次改進(jìn)電路布局，將多余端線(xiàn)接口引線(xiàn)直接焊到基板，輸入、輸出端口采用高頻插頭以及殼體大面積接地，包括基背面導電帶接地，并調大功率電阻的面積，減小發(fā)熱，才使之能在高低溫下穩定可靠的工作，同時(shí)還使其以自身來(lái)補償輸出自激。



　　◇采用微波二極管提高電路精度　　

　　該AGC中頻放大器的三級電壓增益放大均有三只PIN微波二極管 (2K4D)整形緩沖，它對輸出增益的一致性和增益控制電壓值尤其重要，該二極管的參數為：反向
電壓VB≥200 V、正向微分電阻Rr≤1Ω、結電容CP≤0.40PF、耗散功率PW≥0.3w。開(kāi)始組裝時(shí)，只注意到滿(mǎn)足軍品二極管的通用特性，但產(chǎn)品的一致性(相對控制電壓值各對應的各輸出幅值)都沒(méi)有引起足夠的重視，無(wú)法按用戶(hù)要求的四個(gè)一組進(jìn)行配套，即容易造成生產(chǎn)成本的浪費。在初次問(wèn)題分析中始終沒(méi)有找到問(wèn)題所在，只是認為三個(gè)中放電路的不一致。經(jīng)與用戶(hù)探討和試驗摸索發(fā)現：微波二極管的正向微分電阻和結電容直接影響其輸出一致性。事實(shí)上，二項參數一起配對并且一塊三只，四塊一組共12支要求一樣也比較困難，組裝前的篩選配對很難進(jìn)行。之后經(jīng)過(guò)逐級分析、微調試驗，才能總結出它的變化規律。實(shí)際上，只要控制好三級中頻放大對應位置的二極管的一致性，即可達到輸出對應。至此，便可采用精分微波二極管的結電容，將其參數一致性的結電容(精確到0.01PF)裝在一起，以減少配套的工作量。在組裝時(shí)，將一致的二極管焊在同一級的位置上，從而提高了產(chǎn)品的合格率，達到了用戶(hù)要求。但針對各批次的一致性精度，還需掌握其規律進(jìn)行控制，故要繼續統計分類(lèi)，保證用戶(hù)放心使用和更換。

　　產(chǎn)品特點(diǎn)　　

　　因為該放大器獨特的通用性，與同類(lèi)產(chǎn)品相比，針對原分立器件組裝的AGC中頻放大器專(zhuān)用模塊，該產(chǎn)品除保證了原有的電特性有所提高以外，還有如下一些特點(diǎn)：

　　(1)模塊尺寸小，引出端采用標準28線(xiàn)平行封焊，插拔更換比較方便。

　　(2)重量輕，機械可靠性好。由于采用全表面貼裝結構，元器件全部小型化、微型化，使之重量遠遠低于分立器件，同時(shí)抗振動(dòng)沖擊能力增強，不會(huì )出現引線(xiàn)振動(dòng)沖斷。

　　(3)采用全金屬接地屏蔽、調諧方便。由于備份調整端子多，帶通濾波器外接，故可根椐需求很容易改變中心頻率和增益范圍等。

　　(4)模塊產(chǎn)品尺寸如圖4所示。


　　(5)該放大器的引出端排列符合圖5規定。表1所列是其引出端功能。





　　結論　　

　　表2給出了該放大器的實(shí)測數據與要求指標的比較。



　　該產(chǎn)品在生產(chǎn)和調試過(guò)程中，嚴格按照制定好的工藝流程和質(zhì)量控制進(jìn)行。加之表面組裝的厚膜工藝和殼體封裝工藝都比較成熟，因而其實(shí)測數據完全滿(mǎn)足要求，且已通過(guò)設計定型。本AGC中頻放大器模塊可取代由分立器件組裝的電路形式。該模塊是中頻放大器專(zhuān)用模塊的一個(gè)新品種，為今后同類(lèi)產(chǎn)品的研制提供了相對很好的經(jīng)驗。