带AGC的LC双调谐放大器的设计论文

毕业论文（设计）

题 目：学 院：学生姓名：专 业：班 级：指导教师：起止日期： 带AGC的LC双谐调放大器设计 机电工程学院 xxx 电子信息工程 A08电信2 纪玉川 2011年12月16日-2012年5月18日

2011年 5月 15 日

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浙江海洋学院本科生毕业论文

带AGC的LC双调谐放大器的设计

Xxx

（浙江海洋学院 机电工程学院，浙江 舟山 316000）

摘要

LC谐振放大器是高频电子线路和无线通信系统的重要组成部分，是超外差接收机的前置放大电路，主要用于高频小信号放大。由于采用谐振回路作负载，解决了放大倍数、通频带宽、阻抗匹配等问题。就放大过程而言，电路中的晶体管工作在小信号放大区域中，非线性失真很小。一方面可以对窄带信号实现不失真放大，另一方面又对带外信号滤除，有选频作用。本设计主要由型衰减网络、LC谐振放大器、自动增益控制（AGC）电路和电源模块组成。系统以（低功耗）晶体管9018为核心设计并制作了一个以3.6V（供电），中心频率为15MHz,带宽为300KHz的低功耗LC调谐放大器。系统首先通过一个40dB衰减器，再通过晶体管9018级联构成LC调谐放大器，本系统能够有效地对小信号进行40db增益控制的放大，并加入以AD8367芯片为核心的自动增益控制电路，最后通过双调谐网络组成的带通滤波器进行滤波后接入200Ω输出。

关键词：衰减器；LC调谐放大器；双调谐放大器；AGC

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ABSTRACT

LC resonant amplifier is a high frequency electronic circuit and wireless communication system important constituent, is the super heterodyne receiver preamplifier circuit, mainly used for high frequency small signal amplification. Due to the adoption of resonant circuit as the load, solves magnification, wide frequency band, the impedance matching problem.On the amplification process, circuit of transistor working in small signal amplification region, nonlinear distortion is very small.A can on narrowband signal without distortion amplifier, on the other hand the out-of-band signal filter, a frequency selection function.Mainly by the design of type attenuation network, LC resonant amplifier, automatic gain control (AGC) circuit and a power supply module.System (low power) transistor 9018 as the core of the design and implementation of a 3.6V (power supply), the center frequency is 15MHz, the bandwidth of 300KHz low power LC tuned amplifier.The system first through a 40dB attenuator, and then through the transistor 9018 cascaded LC tuned amplifier, this system can effectively to small signal 40dB gain control amplifier, and joined to the AD8367 chip as the core of the automatic gain control circuit, the double tuning network composed of band-pass filter access to 200Ωoutput.

Keywords: Attenuator; LC tuned amplifier; double tuned amplifier; AGC

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目录

前言 .................................................................................................................................. 1 第1章 绪论 .................................................................................................................. 3 1.1系统总体设计方案 ................................................................................................ 3 1.2系统组成模块方案 ................................................................................................ 3 1.2.1衰减器方案 .................................................................................................... 3 1.2.2 LC谐振放大电路方案 .................................................................................... 5 1.2.电源方案 ........................................................................................................... 6 1.2.4 AGC控制电路方案 ........................................................................................ 7 第2章 系统整体电路设计 .......................................................................................... 9 2.1衰减器网络设计 .................................................................................................... 9 2.1.1衰减器的原理 ................................................................................................ 9 2.1.2衰减器的理论设计 ........................................................................................ 9 2.2 LC谐振放大电路的设计 ..................................................................................... 11 2.2.1 LC谐振放大电路的谐振回路参数确定 .................................................... 12 2.2.2 LC谐振放大电路的增益分析 .................................................................... 13 2.2.3 LC放大电路的带宽分析 ............................................................................ 15 2.2.4 LC谐振放大电路的矩形系数分析 ............................................................ 17 2.2.5LC谐振放大电路的稳定性分析 ................................................................... 17 2.2.6 LC谐振放大器子系统框图与电路原理图 ............................................. 18 2.3 电源模块设计 ...................................................................................................... 18 2.4

共射放大电路设计 ....................................................................................... 19

2.4.1 共射放大电路的原理 ................................................................................. 19 2.4.2 LC谐振共射放大电路的理论设计 ............................................................ 21 2.5

射极跟随器的设计 ....................................................................................... 21

2.6 AGC控制电路的设计 .......................................................................................... 22 2.6.1 AD8367简介 ................................................................................................ 22 2.6.2 AGC自动增益控制电路理论设计 .............................................................. 23 第3章 开发工具、制作调试过程 ............................................................................ 24

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3.1 PROTUES简介 .................................................................................................... 24 3.2 PROTEUS 基本操作与设置 ........................................................................... 25 3.3 系统调试过程 ..................................................................................................... 26 3.3.1 PCB板前期制作 .......................................................................................... 26 3.3.2 PCB板后期制作和元器件焊接 .................................................................. 26 3.3.3硬件电路调试 .............................................................................................. 27 结 论 ............................................................................................................................ 28 鸣 谢 ............................................................................................................................ 29 [参考文献] .................................................................................................................... 30 附录A电路原理图及实物图 ........................................................................................ 31

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前言

随着微电子技术、计算机网络技术和通信技术等行业的迅速发展，社会发展步入了信息时代，随着信息时代对人才高素质和信息化的要求，随着高等教育发展的趋势，人们的生活水平提高，对物质需要的要求也跟着提高，这对电子领域提出了跟更高的要求，自动增益控制电路越来越被人们熟知并且广泛的应用到各个领域当中。

在无线通信中，发射与接收的信号应当适合于空间传输，谐振放大器广泛应用于通信系统和其他电子系统中，如在发射设备中，为了有效地使信号通过信道传送到接收端，需要根据传送距离等因素来确定发射设备的发射功率，这就要用谐振放大器将信号放大到所需的发射功率；在接收设备中，从天线上感应到的信号是非常微弱的，一般在Au0级，要将传送的信号恢复出来，需要将信号放大，这就需要用高频小信号谐振放大器来完成。所以，被通信设备处理和传输的信号是经过调制处理过的高频信号，这种信号具有窄带特性。而且，通过长距离的通信传输，信号受到衰减和干扰，到达接收设备的信号是非常弱的高频窄带信号，在做进一步处理之前，应当经过放大和干扰的处理。这就需要通过高频小信号放大器来完成。这种小信号放大器是一种谐振放大器。

高频小信号放大器广泛用于广播、电视、通信、测量仪器等设备中。高频小信号放大器可分为两类：一类是以谐振回路为负载的谐振放大器；另一类是以滤波器为负载的集中选频放大器。它们的主要功能都是从接收的众多电信号中，选出有用信号并加以放大，同时对无用信号、干扰信号、噪声信号进行抑制，以提高接收信号的质量和抗干扰能力。

高频调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射机的接收端，多应用于各类无线电发射机的高频放大级和接收机的高频与中频放大级。从天线上感应的信号是非常微弱的，这就需要用放大器将其放大。高频信号放大器理论非常简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。

自动增益控制线路，简称AGC线路，A是AUTO（自动），G是GAIN（增益），C是CONTROL（控制）。对一个输入信号进行放大，以处理方便，需要保证输出有一定的幅度，但同时这个幅度又不会饱和，由于输入信号的幅度通常变化较大，为了防止这种情形的出现，所以不能采用一个简单的单一放大的倍数，AGC就是根据输入信号来调整放大倍数，从而使输出信号幅度一致，它是输出限幅装置的一种，是利用线性放大和压缩放大的有效组合对输出信号进行调整。当输入信号较弱时，线性放大电路工作，保证输出声信号的强度；当输入信号强度达到一定程度时，启动压缩放大线路，使声输出幅度降低，满足了对输入信号进行衰减的需要。也就是说，AGC功能可以通过改变输入输出压缩比例自动控制增益的幅度，扩大了接收机的接收范围，它能够在输入信号幅度变化很大的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化，不至于因为输入信号太小而无法正常工作，也不至于因为输入信号太大而使接收机发生饱和或堵塞。

目前，实现自动增益控制的手段有很多，在本文中，主要研究的是如何以放大器来实现自动增益控制的目的，也就是自动增益控制放大器。实现这种功能的电路简称AGC环。AGC环是闭环电子电路，是一个负反馈系统，它可以分成增益受控放大电路和控制电压形成电路两部

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分。增益受控放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压而改变。控制电压形成电路的基本部件是AGC 检波器和低通平滑滤波器，有时也包含门电路和直流放大器等部件。

AGC电路广泛用于各种录音机、接收机、测量仪器中，在电路设计中，这种线路被大量的运用，从尖端的雷达技术到日常的广播电视系统，自动增益控制无疑很好的解决了各种技术中存在的信号强度问题。它常常被用来使系统的输出电平保持在一定范围内，因而也称自动电平控制；而用于收音机或话音放大器时，又被称为自动音量控制。

自70年代以来人们对负阻放大器电路进行了大量的研究。在滤波放大器的谐振腔中引入双调谐腔回路是实现宽频波及毫米波负阻放大器的有效方法。在推导出了该电路的工作方程之后，着重讨论了实现最大平坦增益特性的条件指出两谐振腔负载Q值是实现最大平坦增益的决定因素，道出了获得最大平坦增益时，电路参数的解析表达式，从而为最大平坦增益提供了理论依据。

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第1章 绪论

1.1系统总体设计方案

从系统框图可以看出，本设计采用分立元件构成两级谐振放大器，然后由射极跟随器输出。从输入端输入小于5mV的信号Vi经过衰减器，输出小于50uV的信号，信号通过以AD8367为核心组成的AGC电路，得到一个AGC电压Vf控制谐振放大器的静态工作点，从达自动增益控制的要求，然后信号再输入到双调谐放大器，进行选频滤波和阻抗匹配，最后再经过单调谐放大器，补偿电路谐振频率特性，最终由射极跟随器输出经放大40dB左右的无失真信号V0。整个硬件电路系统，经过两级谐振电路，使得满足增益为40dB的要求。系统组成总体框图如图1.1。

5mV信号Vi

电阻π

型

衰减器

AGC电路 双调谐 放大器 单调谐放大器

射级跟随器

负载

图1.1带AGC的LC双调谐放大器组成总体框图

1.2系统组成模块方案

1.2.1衰减器方案

在高频传输中，传输的一般为高频微弱信号，本设计中用衰减网络来产生一个高频的微弱小信号，按照题目要求相当于设计一个接收机的前端放大电路，在生活生产中都有较为广泛的应用。衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。比如在接收机前加个衰减，可以避免过大的信号功率损坏接收机，或者在传输线路中加入衰减，模拟长距离传输的线路损耗，等等。

按题目要求，对5mV以下的小信号进行衰减，衰减量为40dB±2dB，特性阻抗50Ω，频带与放大器相适应，经LC谐振放大电路放大40dB，而题目要求功耗测试时电压输出为1V，故衰减器在输入10mV的信号能正常衰减100倍。

对于衰减器有以下几种方案:

方案一：直接电阻分压衰减法，电路结构、参数设计简单，计算方便。但是因为在下一级输入及引线都存在分布电容，对被测信号的高频分量有严重的衰减，造成信号高频失真，所以仅采用电阻分压不能做到在整个通频带内衰减的分压比均匀不变。

方案二：用二极管或电阻构成无源衰减网络，此方案切实可行，虽然二极管构成的无源衰减网络容易匹配，但考虑到二极管构成的无源衰减网络容易失真，故选择电阻衰减网络，电阻网络不但匹配容易，并且不易失真。但是电阻衰减网络分为π型衰减器和T型衰减器，而当衰减的分贝数较大时，由于受引线和焊点的影响，阻值过小很难保证其精度，从而影响

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衰减的准确度。

T型衰减器如图1.2所示。

图1.2 T型衰减器

以图1.2为例对 T 型网络的设计公式进行推导:

首先从输入端看进去的输入电阻应该等于 Ro ，所以可得

R0R1R2R1R0 ①

又根据电路输入电压和输出电压的关系可得：

UR1R01R0U1UR11R1R0U0 ②

R2R0R0 联立方程①和②，可解得：

R1R0U0U021U1U1和RR

202U0U01U1U11题目要求衰减量40±2dB，特性阻抗50Ω，可带入数据或者利用固定衰减器计算软件算出50欧40dB T型衰减器：R1=49ohm，R2=1ohm。考虑到外围电路的设计及影响，我们不采用此方案。 π型衰减器如图1.3所示：

图1.3 π型衰减器

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以图1.3为例对π型网络的设计公式进行推导:

R1R0U01U1和RR20U01U1U0U11 U20U12同理，带入数据或者利用固定衰减器计算软件算出50欧40dB PI型衰减器：R1=51欧，R2=2496.8欧。考虑到系统电阻使用及购买问题，我们采用此方案。

方案比较：方案一虽然能精确衰减系数，但是阻抗匹配难，功耗高，不适宜采用。方案二中提供了多种无源衰减网络，二极管和电阻都容易实现匹配，但是综合考虑，基于实验要求的考虑，及便利之举，选择电阻π型衰减网络，不但容易实现，而且电路简单。

1.2.2 LC谐振放大电路方案

根据题目要求，LC谐振放大器工作在15MHz左右，带宽为300kHz，，增益为40dB，输入阻抗为50Ω。

对于LC谐振放大器有以下几种方案：

方案一：选用集成运放对小信号进行放大，如OP37、AD603等，此方案的优点是电路实现简单，指标和可靠性容易得到保证，易于电路分析和调试，运放的增益较大容易实现题目要求的40dB的增益。输入阻抗通过衰减器进行阻抗匹配也能实现题目的要求。但是本题要求精确度较高，集成器件电压要求较高，采用集成运放带宽要求较难实现，集成芯片成本较高，而且AD603在15MHz的工作频率下，波形极易失真，并且功耗高。

AD603是美国ADI公司的专利产品，是一款低噪声、电压控制型放大器，用于射频(RF)和中频(IF)自动增益控制(AGC)系统。它提供精确的引脚可选增益，90 MHz带宽时增益范围为-11 dB至+31 dB，9 MHz带宽时增益范围为+9 dB至+51 dB。用一个外部电阻便可获得任何中间增益范围。折合到输入的噪声谱密度仅为1.3 nV/√Hz，采用推荐的±5 V电源时功耗为125mW。

AD603增益以dB为线性，经过精密校准，而且不随温度和电源电压而变化。增益由高阻抗(50 MΩ)、低偏置(200 nA)差分输入控制；比例因子为25 mV/dB，仅需1 V增益控制电压便可获得中间40 dB的增益范围。无论选择何种范围，均提供1 dB的超量程和欠量程。对于40 dB变化，增益控制响应时间不到1 μs。AD603可以驱动低至100 Ω的负载阻抗，且失真较低。对于采用5 pF分流的500 Ω负载，10 MHz、±1 V正弦输出的总谐波失真典型值为-60 dBc。进入500 Ω负载的额定峰值输出最小值为±2.5 V。

AD603内部结构图如图1.4所示。AD603由一个可通过外部反馈电路设置固定增益GF的放大器、0至-42.14dB的宽带压控式精密无源衰减器和40dB/V的线性增益控制电路构成。AD603利用了X-AMP由一个0~-42.14dB的可变衰减器和一个有固定增益的放大器构成。在其内部结构中，可变衰减器由一个七级R-2R梯形网络构成，每一级的衰减量约为6.02dB，可对输入信号造成0至-42.14dB的衰减。优越的噪声特性是X-AMP结构的一个重要的优越性，在1MHz宽带，最大的不失真输出为1Vrms时，输出x信噪比为86.6dB。

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图1.4 AD603原理框图

方案二：采用多级单调谐放大电路的级联实现。单调谐放大电路其输出信号失真大，电路增益和通频带的矛盾比较突出，矩形系数远大于1，邻道选择性较差，而且级间相互干扰较大不易调节，所以不宜采用该方案。

方案三：采用晶体管9018构成单调谐和双调谐的混合放大电路实现。双调谐放大电路比单调谐放大电路具有更好的通频带和选择性，而且可以工作在弱过耦合和临界耦合状态，所以前级采用双调谐，并使电路工作在弱过耦合或临界耦合状态，后面加一级单调谐电路对前级双调谐放大电路的中心频率进行补偿，这样能够很好的实现题中的中频、增益和带宽要求。

图1.5 S9018封装图

9018为NPN三极管，耐压在20V以上，Icm＝50mA，Pcm＝400mW, 9018高频性能较好，常

用于高频放大，其fT达800MHz以上。

方案比较：方案一虽然放大倍数容易控制，且能达到自动增益的功能，但芯片工作在15MHz的频率下，基本无法进行无失真放大。方案二电路复杂且稳定性较差。方案三则基本解决了上面出现的问题，只是在自动增益部分，须额外增加器件。综合以上三种方案以及电路的设计要求，本设计选择方案三。

1.2.电源方案

方案一：采用新型稳压芯片HT7536实现。这种稳压芯片是采用COMS技术的三端口高电流低电压稳压器，能输出100mA电流，允许输入电压可达24V。能输出从3.0V～5.0V的几

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种稳定电压，但是考虑到系统只需要一个3.6V的电源电压，而且消耗的功率比较小，不需要输出这么大的功率，所以不采用此方案。

方案二：采用输出电压可调的集成稳压块LM317，产生一个3.6V的直流电压。由于LM317电路中引入了深度的电压负反馈，使得在电网电压波动和负载电阻变化时，输出电压仍然可以保持稳定，在输出端加上额外的电容滤波后，完全能够符合本系统对稳定3.6V直流电源的要求。

综合以上两种方案以及电路的设计要求，本设计采用方案二。

1.2.4 AGC控制电路方案

方案一：选用AD8367集成芯片，自动增益控制容易，功耗不高。AD8367的功能框图如图1.9所示， 该芯片主要由可变衰减器、固定增益放大器和律方根检波器组成。AD8367最适合工作在200欧姆阻抗系统,，并可通过电阻或电抗无源网络来实现与其它通用阻抗系统的转换。

图1.9 AD8367基本功能框图

方案二：采用经典的AGC 控制电路如图1.10。利用检波电路从输出端得到一与峰值电压相关的直流分量送入误差放大器，控制结型场效应管，使其工作在可变电阻区，从而改变放大器增益以实现自动增益控制功能。此种电路形式较为成熟，其功耗较低，但动它电路组成复杂，控制较难，态范围不是很大，且场效应管工作在可变电阻区时不易控制其压控电阻，调整有些困难。

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图1.10 AGC电路框图

方案三： 利用可编程增益放大器AD603，通过单片机软件转换，可以将增益控制电路转换成自动增益控制电路。即通过峰值检波将输出信号峰值对应的直流分量送入A/D，通过软件计算，利用D/A输出对应的直流信号控制增益调节放大器，使得输出电压稳定在一定的范围内，同时显示输出电压值。该方案无需外加硬件电路,可完全通过单片机对增益控制电路进行简单改进实现。经总体考虑,决定采用该方案。方框图如下：

图1.11 由单片机控制AGC电路

方案比较：相比方案二、三而言，方案一电路简单，控制容易，虽然AD8367功耗比方案一高，但是AD8367属于低功耗芯片，满足题目要求，故选择方案一。

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第2章 系统整体电路设计

2.1衰减器网络设计

2.1.1衰减器的原理

衰减器的原理框图如图1-4所示。 Port-1 衰减器

Port-2

P1 P2 图2.1 衰减器的原理框图

其信号输入功率为P1，输出功率为P2。若P1、P2以毫瓦分贝（dBm）表示，并且衰减器的衰减量为AdB,那么输出信号的功率关系可以表示为：

P2mWP1mW AdB101g

2.1.2衰减器的理论设计

本题衰减器是双端口结构，电路利用π型电阻来设计，如图1-5所示。其中Z1、Z2即是

电路输入、输出端的特性阻抗。

Z1 Rs Z2 P1 P2

图2.2 衰减器框图

Z1、Z2是电路输入、输出端的特性阻抗。根据电路两端阻抗使用的不同，又可分为同阻抗式和异阻抗式。我们使用π型同阻抗式，数据如下：

π型同阻抗式：

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a10RSA10

a1a1ZC

a1a1RP1RP2 ZCπ型异阻抗式:

a10A10

Z1Z2Aa1RSRP11Z12R

1a11a1RS

其中Rs, RP1,RP2也可根据上面推出的公式算出，公式如下：

R0U01U1

U01U1R1 R2R0U0U11 U02U12其中 RP1 = R1 , Rs = R2

衰减器是一个功率耗散元件,当输出端匹配负载Zc时，衰减量与功率的关系可以表示为：

其中：P1为输入功率，P2为输出功率。

我们采用同阻以及输入输出的特性阻抗为

线的特性阻抗均为50Ω。

50Ω的形式。所以在输入输出两端相连的传输

衰减器由纯电阻网络构成。电阻的特性是：随着工作频率的逐步升高；电阻的电感效应会逐步明显。因此，功率衰减器工作在较高频段时，实际的衰减量可能会有部分下降。根据设计公式所计算出的电阻，基本上都会出现存在小数的情况，有的电阻值需由两个电阻并联获得。所选电阻与计算值之间的误差控制在±0.5Ω。

40dB、π型同阻抗式固定衰减器。（Z1=Z2=50Ω） 根据以上述公式计算得：

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R22.5KR4R551

实际电路如图2.3所示。

图2.3 40dB π型衰减器

2.2 LC谐振放大电路的设计

该LC谐振放大电路模块由两部分，第一部分为双调谐放大电路，，采用双回路调谐器来滤波不仅起到了放大电路，而且对回路的带宽控制起了主要部分。第二部分单调谐放大电路，为了平衡电路中的带宽和增益指标，电路中增益的分配为第一级的双调谐放大电路实现25dB放大，第二级的单调谐放大电路实现15dB的放大。

表征高频小信号调谐放大器的主要性能指标有谐振频率、放人器的通频带1．谐振频率

放大器的调谐回路谐振时所对应的频率f0称为放大器的谐振频率，f0的表达式为

及选择性（通常用矩形系数

、谐振电压放大倍数（增益）来表示）等。

f012LC

式中，L为调谐回路电感线圈的电感量；

C C为调谐回路的总电容，C的表达式为

CP12CoeP22Cie

式中， Coe为晶体管的输出电容；Cie为晶体管的输入电容；P1为初级线圈抽头系数；P2

为次级线圈抽头系数。

2．电压放大倍数（增益）

放大器输出电压（或功率）与输入电压（或功率）之比，称为放大器的增益或放大倍数，用Av（或Ap）表示，放大器增益的大小，决定于晶体管，要求的通频带宽度，是否良好的匹配和稳定的工作。电压放大倍数Au0由下式计算：

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AV0 = V0 / Vi 或 AV0 = 20 lg (V0 /Vi) dB 3．通频带

由于谐振回路的选频作用，当工作频率偏离谐振频率时，放大器的电压增益下降，习惯上称电压增益带

下降到谐振电压增益

的0.707倍时所对应的频率偏移称为放大器的通频

。常用2f0.7来表示。有时也称2f0.7为3dB带宽。因为电压增益下降3dB。表

达式为：

BW = 2△f0.7 = fo/QL 式中，QL为谐振回路的有载品质因数。

分析表明，放大器的谐振电压放大倍数AV0与通频带BW的关系为：

AV0BWyfe2C

4．选择性——矩形系数

调谐放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数Kv0.1时来表示，矩形系数Kv0.1为电压放大倍数下降到0.1 AV0时对应的频率偏移与电压放大倍数下降到0.707 AV0时对应的频率偏移之比，即

Kv0.1 = 2△f0.1/ 2△f0.7 = 2△f0.1/BW

上式表明，矩形系数Kv0.1越小，谐振曲线的形状越接近矩形，选择性越好，反之亦然。 5．工作稳定性

工作稳定性是指放大器的直流偏置、晶体管、电路元件等参数因其自身或环境发生可能变化时，放大器性能指标的稳定程度。不稳定现象表现为增益变化、中心频率、通频带偏移、谐振曲线变形等。极端情况是放大器自激，以致不能工作，为此我们采用屏蔽盒来减小外界干扰，和两级之间的干扰。

2.2.1 LC谐振放大电路的谐振回路参数确定

在调谐放大电路中，要求其谐振频率稳定在15M，实际电路中根据晶体管的内部发射节电容和集电容等内部参数，初步确定谐振电路中电容取值C = 30 pF左右，由谐振放大电路中心频率的计算公式：

frfXCXL12LC 可以初略计算出谐振电路中电感的值： L = 4 uH

在实际的硬件电路实现过程中，使用中频放大的调频中周，在中周线圈内部的线圈周围

绕上线圈用来耦合信号到下一级的谐振放大器，电感线圈的匝数计算：

NL的材质有关。

AL N为电感线圈匝数， L为需要得到的电感量，AL为电感系数 ，其中电感系数与电感本身

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通过初步计算可得电感线圈的匝数为4匝，所以在实际硬件电路中在中周的线圈周围绕上4圈线圈，然后通过调节中周来微调电感，用扫频仪测试实际的谐振中心频率，通过并联或串联不同大小的电容，来实现对电容大小的微调，实现中心频率稳定在15M。

2.2.2 LC谐振放大电路的增益分析

为了实现题目中基本要求的增益为40dB的增益要求，本设计采用两级放大电路，前面一级采用双调谐谐振放大电路，后面一级采用单调谐谐振放大电路，为了平衡电路中的带宽和增益指标，电路中增益的分配为第一级和第二级的双调谐放大电路均实现25dB放大，最后一级单调谐放大电路实现15dBd的放大。

双调谐放大电路增益分析：

双调谐放大器的基本电路和交流通路如图2.4和2.5所示。图中，Rb1、Rb2和Re组成分压式偏置电路，Ce为高频旁路电容，ZL为负载阻抗（或下级输入阻抗），Tr1、Tr2为高频变压器，其中Tr2的初、次级电感L1、L2分别与C1、C2组成的双调谐耦合回路作为放大器的集电极负载，三极管的输出端在初级回路的接入系数为p1，负载阻抗在次级回路的接入系数为p2。

VCCMRb1C11L1L245C22+Ui-V+3Tr2CbRb2ReCeZLU0-GND

图2.4 双调谐放大器的典型电路

C11L1L245C22+Ui-ReV+3ZLUo-GND

图2.5双调谐放大器的交流通路

在前两级的双调谐谐振放大电路中，级间的信号耦合采用互感耦合调谐回路如图2.6所示。

L1R1C1L2C2Rf 图2.6 互感耦合调谐回路

初、次级回路之间的耦合系数：

13

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kML1L21

初、次级回路的谐振频率：

f02LC

定义耦合因数： η =kQ0

式中，Q0为空载品质因数。则η =1时为临界耦合状态，而η >1、η <1时分别称为强耦合和弱耦合状态。在本设计中的互感耦合回路处于弱耦合或者临界耦合。

根据电路设计要求，设初次级回路的元件参数相同，则它们的谐振频率、有载品质因数也相同。可以求得双调谐放大器的电压增益和临界耦合时的谐振电压增益分别为

放大器电压增益：

Au.p1p2gmg(1)42222

谐振电压增益：

.Au0p1p2gm

2g根据对双调谐谐振回路的理论分析，设计的实际电路中使用的两级双调谐放大电路硬件电路图如图2.11所示。

通过上述理论计算，然后根据实际硬件电路的参数，代入到上式计算得双调谐谐振放大器都能实现25dB的增益。

单调谐放大电路增益计算：

单调谐放大器的基本电路和交流通路如图2.8所示。图中，V1、R1、R2、Re组成稳定工作点的分压式偏置电路，Ce为高频旁路电容，初级电感L和电容C组成的并联谐振回路作为放大器的集电极负载。可以看出，三极管的输出端采用变压器耦合部分接入的方式，使前后级的阻抗匹配，接入系数为p1，晶体管集-射回路与振荡回路之间采用抽头连接接入系数为p2。

放大器电压增益：

Avp1p2yfegjC1jLp1p2yfe 2fg(1jQL)f0谐振电压增益：

Av0p1p2yfegp1p2yfegppgoe1pgie22122

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浙江海洋学院本科生毕业论文 VCCMRb1C1+L21L145ZL2+Ui-CbV3UoTRb2ReCe-GND

图2.7 单调谐放大器的基本电路

+1L1L2452+Ui-ReV3ZLUo-TGND

图2.8 单调谐放大器的交流通路

通过上述对单调谐放大器电路的理论计算，然后根据实际硬件电路的参数，代入到上式计算得单调谐谐振放大器基本能实现15dB的增益要求。

通过上述分别对双调谐放大电路和单调谐放大电路的增益分析和理论计算，两级的双调谐放大电路后加一级单调谐放大电路，实现了25dB+155dB=40dB的设计要求，所以本设计硬件电路参数能够实现40dB的增益要求。

2.2.3 LC放大电路的带宽分析

由前一节对放大电路的增益分析可知，单调谐放大电路的通频带有如下计算方法：

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图2.9 谐振放大器幅频特性曲线

Avp1p2yfeg(1jQL2f

f0) Av0p1p2yfe

g

由以上公式得通频带为： Av 1Av02QLf1f02由上式令：

Av1, Av02 则

2QLf0.7f0f0 QLf0 QL1

故单调谐放大电路的通频带为：

2f0.7而双调谐放大电路的通带则为：

2f0.72由上面的通带计算公式可知，双调谐放大电路的通带要比单调谐放大电路的宽，根据题目中的中心频率要求，可知f0=15MHz，通频带已知，根据这些可以初步及计算出硬件电路中

QL的值，然后根据这些参数去匹配电路。

题中要求通带宽度要达到300kHz，而当电路元件确定后，电路中增益带宽积是一个常数，要达到宽的频带就需要适当减小每一级的增益，来实现电路增益和带宽的要求。本设计采用两级级放大电路，先利用双调谐放大器对增益进行放大，然后利用后一级单调谐放大电路，进一步将输出信号放大，并利用增益带宽积为定值这个条件，将整个放大器的信号带宽

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稳定在300kHz左右。

2.2.4 LC谐振放大电路的矩形系数分析

在谐振放大器中电路的矩形系数，即表示放大器电路对有用信号的选择和抑制干扰信号能力的好坏，由上一小节中的谐振放大器幅频特性曲线有计算公式如下：

Kr01或

2f0.1 2f0.7Kr0.01

2f0.012f0.7

由上述矩形系数计算公式可知，当2f0.1=2f0.7或2f0.01=2f0.7时矩形系数为1，

放大电路对有用信号的选择性最好，干扰的抑制能力也最强。在单调谐放大电路中矩形系数

Kr01=9.95，而在双调谐电路中矩形系数Kr01=3.16远比单调谐放大电路的小，它的谐振曲线

更接近矩形。

在本设计中前两级使用双调谐放大电路，并使其工作在弱耦合状态或临界耦合状态，由于双调谐放大器的矩形系数接近于1，所以把整个放大器的谐振曲线边缘调整的更加陡峭，然后在最后一级使用单调谐对放大器的谐振曲线顶部进行补偿，使得整个放大器的谐振曲线更加接近于矩形，具有更接近于1的矩形系数。

2.2.5LC谐振放大电路的稳定性分析

工作稳定性是指放大器的直流偏置、晶体管、电路元件等参数因其自身或环境发生可能变化时，放大器性能指标的稳定程度。不稳定现象表现为增益变化、中心频率、通频带偏移、谐振曲线变形等。谐振放大器电路中由于晶体管存在反向传输导纳，会引起放大器输入端的电导和放大器输入端回路电纳发生变化，前者会引起回路的等效品质因数Q值的变化，后者会引起回路的失谐。而通过其它途径的反馈，一般为输入、输出端之间的空间电磁耦合，公共电源的耦合等，对放大器电路的稳定性都有一定的影响。

放大器的稳定系数计算公式S为：

Syfe2g2

yre1＋cosfe＋re而由于实际电路中：

yrej0Cre，90o

所以

S2g2yfe0Cre

而对外部反馈，本设计在硬件电路上利用屏蔽盒来减小外界干扰，和两级之间的干扰，

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有效的减小了外部干扰的放大器的影响，使得放大器的稳定性进一步得到提高。

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2.2.6 LC谐振放大器子系统框图与电路原理图

LC谐振放大器子系统框图如下，实际电路图如图3-3所示。谐振放大器是本设计的关键，信号经过由双调谐谐振放大器和单调谐谐振放大器组成的混合谐振放大器放大，并使得每级谐振电路都谐振在f0=15MHz的的中心频率。从衰减器输出的信号V1，送入到共基双调谐谐振放大器，在保证特性阻抗的前提下进行初步放大，再输入到共射—共基双调谐谐振放大器和共射—共基单调谐谐振放大器进一步放大，最终得到输出信号。

图2.10 LC谐振放大器子系统框图

图2.11 LC谐振放大器子系统电路

2.3 电源模块设计

电源部分电路相对比较简单，采用输出电压可调的三端稳压器LM317调节输出电压为3.6V，从而为整个系统提供电源电压。电路由变压器部分、整流部分、滤波波分和稳压部分组成，确保电路的正常稳定工作。电源模块原理图如图2.15所示。

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图2.12 系统电源电路图

2.4 共射放大电路设计

2.4.1 共射放大电路的原理

共发射极放大电路简称共射电路，共射放大电路即可对电流放大，也可对电压放大，常作为放大电路的中间级。共射电路的输入电阻居中，输出电阻较大，且频带较窄。放大器的作用是在三极管的控制下，按照输入信号的变化规律，将能量转换为输出信号的交流能量。因此，放大的作用实质是放大器件的控制作用，放大器只是一种能量控制与转换电路。

放大电路的组成特性：

1、为了使BJT在输入信号的整个周期内均处于放大区(或FET工作于恒流区)，必须给放大电路设置合适的静态工作点。对于BJT放大电路，外加直流电源的极性必须使三极管的发射结正向偏置，而集电结反向偏置。

2、输人回路的接法应该使输入信号(电压或电流)能够尽量不损失地加载到放大器件的输入端，并引起输入回路中的电压或电流产生相应的变化量。

3、输出回路的接法应该使输出回路中电压或电流的变化量(即输出信号)，能够尽可能多地传送到负载上。

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图2.13 共发射极放大电路

静态工作点的估算：

UIBQEQRUEQCQRb1b2b2BQRUREUBECC

IICQBQII

UCEQUCCICQ(RcR)e动态分析：

画出H参数微变等效电路如下：

图2.14 H参数微变等效电路

共发射放大电路基本动态参数的估算： 电压放大倍数:

uoicRLibRL

RRuirLibC//RL

beAruibRLirbbbeRrL

be输入电阻ri:

iuIiR//rbe (RbRB1//Rb2)

i输出电阻r0:

roRC

源电压放大倍数:

uAuusosrRsL

20

rbe

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2.4.2 LC谐振共射放大电路的理论设计

采用LC谐振共射放大电路回路充当负载，只有当LC谐振时，负载电阻最大，而电路的放大倍数与负载电阻成正比关系，故LC谐振回路不仅起到了选频的作用，而且直接的控制了放大倍数。该电路的输出信号经过电感的抽头输出，完成了前后两级的阻抗匹配。

图2.15 共射放大电路

2.5 射极跟随器的设计

射极跟随器是一个电压串联负反馈放大电路，它具有输入电阻高、输出电阻低、输出电压能够在较大范围内跟随输入电压作线性变化及输入、输出信号相同（电压放大倍数近似等于1）等特点。

射极跟随器的输出取自发射极，故也称其为射极输出器。射极跟随器没有电压放大作用，但它具有一定的电流和功率放大作用。射极跟随器在电子线路中应用十分广泛，在多级放大电路中，它可用于输入级，提高输入电阻，减少对信号源的影响；它可用于中间级，实现阻抗变换；它可用于输出级，降低输出电阻，提高带负载的能力。

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图2.16 射极跟随器电路

2.6 AGC控制电路的设计 2.6.1 AD8367简介

AD8367是ADI公司推出的一款可变增益，单端，基于IF 放大器, 它使用先进的X- AMP 结构, 具有优异的增益控制特性。由于在片上集成了律方根检波器，因此，它也是全球首枚可以实现单片闭环AGC 的VGA 的芯片。该芯片带有可控制线性增益的高性能45dB 可变增益放大器, 并可以在任意低频到几百兆赫的范围

AD8367有以下主要特点：具有自动增益控制特性选择和功耗关断的控制功能；当输入端的电平为零电平时，输出端的电平为电源电压的一半，并且可调动；单端输入或输出、输入的阻抗为200欧，输出的阻抗为50欧；当增益有3 dB时的带宽为500 MHz；片上集成有律方根检波器，从而实现单片自动增益控制的应用；增益控制特以dB为单位并且成线性；可通过外部电容将T，可以将频率扩展到任意的低频。图2.11为AD8367的应用基本连线图。

图2.11 AGC应用基本连线图

AD8367型可变增益控制单端IF放大器使用X- AMP结构，拥有较好的增益控制特性。芯片

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上集成有律方根检波器，能够实现单片闭环AGC。可形成带有可控制并且拥有线性增益的高性能45 dB跨度及-3dB精确的增益控制带宽．并可稳定工作在任意低频到500 MHz的频率范围内, AD8367主要由可变衰减器、固定增益放大器和律方根检波器组成。AD8367 的功能框图如图1.9 所示。

它的输入级是总衰减量为45dB 的可变衰减器,由一个高斯内插器和一个200欧单端梯形电阻网络。每个阶段都有损失5dB，共由9级衰减网络组成,总衰减为45dB。高斯内插器选择衰减因子, 每级梯形网络将以固定的分贝数对输入信号进行衰减。紧跟衰减器的是固定增益放大器, 增益控制是通过检测可变跨导阶段有不同的衰减节点。AD8367增益可以增加或减少功能的控制电压，在各个电压取决于MODE引脚上拉到电源或向下接地。

AD8367内部含有的固定增益放大器及无源可变衰减器, 它们的失真性能及电路噪声都为增益和控制电压的函数, 输入折合噪声会随着衰减量进行成比例的增打。随着增益的变化，电路的噪声系数产生的变化不会产生明显的影响。AD8367 工作在200欧源阻抗系统中时, 其输出级是一个拥有较低输出阻抗的电压缓冲器,从而降低了其对负载阻抗和寄生参数的敏感度。200欧阻抗的系统是AD8367 最适和的工作环境,而且能够通过电抗及电阻或无源网络用以实现与其它通用阻抗系统的转换。

AD8367 在输出端集成了一个律方根检波器, 可检测输出信号电平并与内部已经设置的电平相比较。当输出的电平超过内部设置电平时, 两者之差将产生一个差值电流。将接在DETO 脚和地之间的外部电容并对该电流进行积分可产生与接收信号强度成比例的RSSI电压, 这样, 在AGC 应用时, 该电压可以用作AGC电路的控制电压。

AD8367引脚功能简介： 管脚号 1, 7, 14 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 名称 ICOM ENBL INPT MODE GAIN DETO OCOM DECL VOUT VPSO VPSI HPFL 功能 通用信号，低阻抗接地连接 高激活装置 信号输入，200Ω接地 增益控制 增益控制电压输入 检测器输出，提供输出RSSI功能和AGC控制电流 功率通用 输出为中心的环解耦引脚 信号输出，得到外界交流耦合到负载 正电源电压 正电源电压，2.7V到5.5V 高通滤波器连接 2.6.2 AGC自动增益控制电路理论设计

AD8367能够方便的配置成单片自动增益控制放大器，根据在内部集成的精确律方根检波器。 AD8367芯片工作在反向的增益控制模式上。当输出信号的有效值超过354mV时，检波器将以20mV/dB的比例从DETO端输出与输入端信号成比例的RSSI电压，并将该RSSI电压作为AGC的控制电压加到增益控制口端GAIN，便能够构成控制率为20mV/dB的简单的单片AGC放大器。当给芯片端口加低于5V电电压源时，检波器的输出起点和比例都会仍保持一

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致，当加上的电源电压的变化范围在2.7V～5.5V时，电路的AGC特性能够保持不变。

我们可获得优于0.1dB的控制线性度，当在输入范围内大于35 dB时。时间常数τAGC可方便的由AGC电容CAGC设定.事实上,τAGC是由AGC电容CAGC和10kΩ的片上等效

电阻RAGC共同作用的结果.所以,时间常数如下：

当需要的AGC起控点不同于电路内部的设定值时，应使用外部检波器，利用输出端检出的直流电平经放大、分压后加到增益控制端,便可获得需要的AGC起控点。

图2.12 AGC电路原理图

第3章 开发工具、制作调试过程

3.1 PROTUES简介

Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路。Proteus软件自 19 年问世至今，经历了近20年的发展历史，功能得到了不断的完善，性能越来越好，全球的用户也越来越多。PROTEUS之所以在全球得到应用，原因是它具有自身的特点和结构。PROTEUS电子设计软件由原理图输入模块（简称ISIS）、混合模型仿真器、动态器件库、高级图形分析模块、处理器仿真模型及PCB板设计编辑（简称ARES）六部分组成，如图3.1所示。

图3.1 PROTEUS基本组成

该软件的特点有：①具有各种信号源和电路分析所需的虚拟仪表，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。②支持主流单片机系统的仿真。③具有强大的原理图绘制及PCB板设计

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功能功能。④提供软件调试功能。同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试功能，如Keil C51 uVision2、MPLAB等软件。⑤实现了spice仿真和单片机仿真和相结合。具有数字电路仿真及单片机及其外围电路组成的系统的仿真、模拟电路仿真等。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。这里主要介绍Proteus 软件的工作环境和一些基本操作。

3.2 PROTEUS 基本操作与设置

PROTEUS 工作界面：

PROTEUS 的工作界面是一种标准的Windows界面，如图3.3。其中有：主菜单，标题栏，仿真进程控制按钮，状态栏，对象选择按钮，预览对象方位控制按钮，绘图工具栏，标准工具栏，预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。本设计从机系统的液晶显示界面主要采用12232F液晶模块。该液晶中文模块可以显示字。

图3.2 PROTEUS的工作界面

PROTEUS 与其它单片机仿真软件不同的地方在于，它不仅能够仿真单片机CPU 的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。

运行PROTEUS 的ISIS 程序后，进入该仿真软件的主界面。通过工具栏中的p(从库中选择元件命令)命令，在pick devices 窗口中选择电路所需的元件，放置元件并调整其相对位置元件参数设置元器件间连线，编写程序；在source菜单的Definecode generation tools 菜单命令下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目；在source 菜单的Add/removesource files 命令下 ，加入单片机硬件电路的对应程序；通过debug 菜单的相应命令仿真程序和电路的运行情况。

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PROTEUS 提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。 它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例如：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。

3.3 系统调试过程 3.3.1 PCB板前期制作

若想制作一块成功的PCB板，前期需要做大量的准备工作。首先必须建立电路原理图，然后分析性能，排除错误。在PROTEL99SE软件上根据原理图和实际元器件的封装将每个元器件封装好，接着创建网络表，最后导入网络表。最关键的是PCB的布线环节，布线的好坏直接关系到PCB板的成败。最后是对布线作两到三次的调整，减小干扰，优化布线。至此PCB板制作的前期工作基本完成。

图3.3 调谐模块的PCB图

3.3.2 PCB板后期制作和元器件焊接

将PCB文件打印在热传印纸上，仔细检查没有错误后，接着接是将PCB图通过热传印机转印到覆铜板上。此处一定要注意必须完全转印上去，若个别地方转印效果不好可用水笔略作修改。最后是将转印完毕的覆铜板放到腐蚀剂里面腐蚀，最后还需对PCB板打孔，上松香水等操作。

PCB板制作完成后，再根据电路原理图确定所需的电子元器件清单，将各元器件按PCB位置放好进行焊接。电路板焊接好以后，首先要做的是检查电路板是否存在短接，虚焊等情况。还需对有问题的地方进行修该。

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3.3.3硬件电路调试

首先在电路板通上电以前一定要确保电路的正确性，尤其是不能出现电源短路的情况。否则，电路有被烧坏的危险。电路调试时可以先将小模块调试成功。比如，对自动增益控制模块进行单一调试，确保符合要求时，再往系统板上搭建。

测试方法：

（1） 放大器增益测试

如图所示图3.4，由高频信号发生器产生幅度为Vi=5mV，频率15MHz的正弦信号经40dB衰减器接入放大器的输入端，用高频毫伏表测量负载为200Ω时的信号有效值Vo。此时得到的放大倍数为：A=100*Vo/Vi，增益为20log(A)。

图3.4 调试放大电压显示图

（2） 放大器通频带与谐振频率的测试

如图所示图3.4，由高频信号发生器产生幅度为Vi=5mV，频率15MHz的正弦信号经40dB衰减器接入放大器的输入端，微调信号源频率使输出达到最大，此时的频率为谐振频率。继续微调信号源频率，使输出下降3dB，记录两个频率点，两频率的差频即为通频带。

高频信号发生器万用表高频毫伏表数字数字示波器衰减器放大器200 图3.5 系统测试图

（3）矩形系数测试

在测得谐振放大器通频带的情况下，进一步测试当输出幅度下降为最大输出幅度的0.1倍时的差频2f0.1，利用矩形系数计算公式K（4） AGC测试

由于题中没有提供具体的AGC测试方法，因而我们自订测试方案设定最小输入电平为5mv(经40dB衰减后介入放大器)，最大输入电平为50mv，信号频率为15MHz。按

r0.12f0.1得出矩形系数。 2f0.720logV(/iominV

min)-20loVog(dB)()AGC的自动增益控制范围。 计算得maxVi/max27

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结 论

本文详细介绍了带AGC的双调谐放大器的系统的方案构建和实施过程。该设计以AD8367芯片作为系统自动增益控制的核心；以电阻π型衰减器作为整个放大电路系统的前端电路，实现小信号的40dB衰减；并在放大电路前设计了一个LC并联谐振回路，为了能够对信号进行无失真放大； 最后采用由双调谐网络构成的带通滤波器，达到了有效减小带宽，改善矩形系数的目的。

文中介绍了带AGC的双调谐放大器各个主要模块的工作原理和设计思路，并叙述了系统开发过程中所用到的开发工具、软件以及各种调试、测试。

带AGC的双调谐放大器的制作，从最初的方案讨论、AGC模块芯片的选择，到方案确定，电路设计的确定、实现和调试，经历了几个月的时间。在制作中不仅可以把所学的理论知识应用于实际，还自学了大量新学科新知识，不仅开拓了视野，也提高了动手实践能力。

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鸣 谢

该毕业设计牵涉的知识范围可以说非常广泛，包含了模电，高频等领域的相关知识。在完成该设计的过程中碰到许许多多的困难和挫折。从最开始的方案选择，电路板设计到系统搭建，无不充满了坎坷，一个个问题的解决见证了我的成长。克服这些困难离不开老师的悉心指导和同学的热情帮助，是他们的帮助让我突破自我，完成飞跃。

首先，要感谢我的毕业设计指导教师王建行老师，是他一直以来的悉心指导帮助我不断的成长。此次设计王老师给了很多思路上的指导，中间提出了许多建设性的意见，没有这些指导，设计将变得困难重重。每当我碰到一个难题，王老师都能耐心地给我指出一个克服困难的方向。最重要的是这短短的几个月，王老师不仅仅指导我完成毕业设计，更重要的是教会了我如何更好工作、学习和生活的态度，这将是使自己终身受益的一笔巨大财富。

其次，要感谢曾经教过我专业知识的各位老师们，没有您们的细心教导，该系统的理论知识就不会如现在。

最后，要感谢设计完成过程中曾经帮助过自己的同学以及大学四年来一直帮助过自己的同学，他们在我理论知识的学习和动手能力上的提高过程中给了我很多帮助。

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附录A电路原理图及实物图

图 A.1 实物电路整体图

图 A.2 放大电路原理图

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