AGC 高频谐振放大器

吐槽

  原本历届都是做收音机的,到了我们这届德生不提供元件了,就换了题目,那行吧,这咱也不能强求赞助商。

  原本说好了做锁相环的,其他班也确实做了锁相环,但到我们班就换成了AGC谐振放大,那行吧,咱班要求高点。

  但尼玛你出题要和器件条件相吻合啊!做分立的关键部分中周(也就是电感)全都是坏的,麻烦你买元件能不能检查一下啊!尼玛这我焊好了才发现是坏的,这咋改电路啊!!!

设计任务与约束条件

设计并制作一个带自动增益控制(AGC)的高频谐振放大器,放大部分要求采用集成与分立元件两种方案实现。具体指标:

  1. 谐振频率 $f=10.7$ Mhz,允许偏差 $100$ kHz
  2. 增益不小于 $40$ dB
  3. 输入阻抗 $R_\text{in}=50 \Omega$
  4. 在满足增益条件下,尽可能减小矩形系数 $K_{r0.1}$
  5. AGC 输出 $100$ mV,增益范围不小于 $30$ dB

AGC 增益范围计算方法:

器件条件:OPA847、AD860、AD603、三极管9018、10.7M中周(7mm×7mm)

实现条件:分立元件方案在万用焊接板上布局实现。

理论基础

首先先不要紧张,这就是个谐振放大器,而且老师规定要用集成和分立两种方法,而集成就几种芯片,分立就一种三极管,所以也不用做那么多选择。至于 AGC 是什么,这个待会再看。

高频小信号放大器

  去看高频第三章的内容:

  好像形式大多是固定的,而且既然给了中周,那应该是用电感耦合。我找了一些电路图,到时候应该改改参数即可。

AGC

  自动增益控制(Automatic Gain Controll)是一种自动控制方法。它通过检测输出信号幅度,自动控制信号链路的增益,以使整个放大电路在输入信号幅度发生变化时,维持输出信号幅度不变。

  自动增益控制中,输入信号幅度值和输出信号幅度值关系曲线如图:

  1. 欠幅区:当输入信号过小时,压控增益放大器即便达到最大增益 $G_\text{min}$,其输出信号也达不到 AGC 设定的稳幅电压,此时随着输入信号幅度的增加,输出信号幅度也随之明显增加;
  2. 稳幅区:当输入信号增大到一定值后,随着输入信号的增加,输出信号几乎维持不变,这个区域被称为稳幅区;
  3. 超幅区:压控增益放大器的实际增益开始接近甚至达到 $G_\text{min}$,此时随着输入信号的进一步增大,压控增益放大器已经无力通过降低增益来降低输出信号,只能任由输出信号也随之上升。

  根据题目的要求,增益范围 $20 \lg G_\text{max} - 20 \lg G_\text{min}$ 不小于 $30$ dB,并且 $(U_\text{omax}-U_\text{omin})/2=100mV$

AGC一般采用如下结构:

  输出信号与设定直流电压 $V_\text{REF}$做比较,当输出幅度大于 $V_\text{REF}$ 时,$V_G$ 将持续变大以减小增益,进而减小输出幅度;当输出幅度小于 $V_\text{REF}$ 时,$V_G$ 将持续变小以增大增益,进而增大输出幅度,最终一定会维持输出幅度与设定幅度基本相等。压控增益放大器的增益受控于 $V_G$,且一定是负反馈关系:$V_G$ 越大,压控增益放大器的实际增益越小。

  某些运放有 AGC 输出(比如 AD8310 的 3 脚 OFLT 就是 AGC 输出),通过一颗电容交流耦合后送到运放做电压跟随即可。而实验室提供的 AD603 也有 AGC 功能,下面来看看 AD603 是如何做到 AGC 的。

  AD603 的结构图如上。先说说引脚:

  • VPOS、VNEG 为正负电源输入端,推荐使用 ±5V,最大取 ±7.5V;
  • GPOS、GNEG 为正负增益控制端(正端口正电压越大,增益约大;负端口则反之);
  • VINP 为信号输入端,COMM为地,FDBK 为反馈连接端口。

  从图上来看,信号先是经过一个受控的衰减器,然后再经过一个放大器。衰减器受 GPOS 和 GNEG 控制;放大器的增益则可以通过在 VOUT 与 FDBK 之间连接不同电阻来调整,电阻值越大,则增益越大。

  AD603 的实用电路如下:后面的三极管都是用于检波(得到输出的正弦信号的幅值)

滤波器

  这个没什么好说的,就无源滤波,电阻和电感串并联就行。由于无源滤波对信号有一定衰减,所以实际的放大电路的放大倍数要比要求的高一些。下面这个网站可以很方便的计算出电感与电容值。

  但如果使用谐振放大器的话,就无需滤波。

阻抗匹配

  射频中有讲如何实现阻抗匹配,但我们班没学射频,所以我也不确定题目要求的阻抗要如何实现。如果使用集成器件的话还好,直接在输入端接个电阻到地就行;如果是分立元件(三极管)的话,也是接个电阻,另外还要加个电感避免影响静态工作点。

器件

9018

  TO-92 塑封封装 NPN 半导体三极管,参数见 datasheet,但找不到 Pspice 模型,在 Multism 中只好用 2N2369/3DG84B代替。

中周

  中频变压器(俗称中周),是超外差式晶体管收音机中特有的一种具有固定谐振回路的变压器,但谐振回路可在一定范围内微调,以使接入电路后能达到稳定的谐振频率。当旋转磁帽时,使磁帽上下移动,改变磁芯和磁帽的相对位置,从而能够在10%的范围内改变中周线圈的电感量。

  中周大概长下图这样,主要是一对耦合电感,然后既然其参数中有谐振频率,那么应该还有电感。至于微调的话应该是调两个电感的耦合系数吧?

  中周的资料非常少,只有收音机论坛里面的人才会讨论,淘宝上也基本没人卖,据老师说我们用到的中周也是厂家在旮旯角翻出来的……然而,在测试时我发现中周全是坏的,拆开外壳后发现次级回路的两个脚根本没有接电感,也就是说,这个中周只能当一个可调电感来使用。然后经过我进一步的测试发现,初级回路的电感值在 MH 级别,也就是说,要达到规定的谐振频率,电容是在 0.01nF 级别,但我们最小的电感也就是 0.5nF……

  于是乎,由于缺少实验元件,分立的就不用做了(好耶ヽ(✿゚▽゚)ノ),而我作为第一个发现电感有问题的人,还能加分(好耶ヽ(✿゚▽゚)ノ)

OPA847

Datasheet OPA847

AD860

Datasheet AD8605/AD8606/AD8608

AD603

Datasheet AD603

参考